基于TLC5510的數據采集系統設計

　　1 TLC5510簡(jiǎn)介

　　TLC5510是美國德州儀器(TI)公司的8位半閃速架構A／D轉換器。采用CMOS工藝，大大減少比較器數。TLC5510最大可提供20 Ms／s的采樣率，可廣泛應用于高速數據轉換、數字TV、醫學(xué)圖像、視頻會(huì )議以及QAM解調器等領(lǐng)域。TLC5510的工作電源為5 V，功耗為100 mW(典型值)。內置采樣保持電路，可簡(jiǎn)化外圍電路設計。TLC5510具有高阻抗并行接口和內部基準電阻，模擬輸入范圍為0.6 V～2.6 V。

　　1.1 引腳功能描述

　　TLC5510采用24引腳的貼片封裝，其引腳配置如圖1所示，各引腳功能描述如下：

　　AGND：模擬信號地；

　　ANGLOG IN：模擬信號輸入端；

　　CLK：時(shí)鐘輸入端；

　　DGND：數字信號地；

　　D1～D8：數據輸出端。D1為數據低位，D8為數據高位；

　　OE：輸出使能端。OE為低電平時(shí)數據端有效，否則數據端為高阻態(tài)；

　　VDDA：模擬電路工作電壓；

　　VDDD：數字電路工作電壓；

　　REFTS：內部參考電壓。當內部分壓器輸出額定2 V基準電壓時(shí)，該端短路至REFT；

　　REFT：參考電壓(T代表Top為2.6 V)；

　　REFB：參考電壓(B代表Bottom為0.6 V)；

　　REFBS：參考電壓。當內部分壓器產(chǎn)生2 V的額定基準電壓時(shí)，該端短路至REFB。

　　1.2 典型應用電路

　　TLC5510的基準電源有多種接法，根據不同場(chǎng)合選擇適當基準電源，利用內部基準源，TLC5510典型應用電路如圖2所示。由于其測量范圍為0.6 V～2.6 V(即：TLC5510在轉換時(shí)模擬輸入0.6 V時(shí)對應數字輸出00 000 000，2.6 V對應的數字輸出11111 111)，因此輸入信號在進(jìn)入TLC5510之前要塒其處理，要使該輸入信號處于量程內，應加入一個(gè)1.6 V的直流分量。

　　2 基于TLC5510的數據采集設計

　　2.1 兩級采樣

　　TLC5510雖采樣率高，但受干擾嚴重?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，將TLC5510運用于寬頻數字示波器的數據采集。為了提高抗干擾能力，專(zhuān)門(mén)設計一個(gè)有源晶振模塊為T(mén)LC5510提供采樣時(shí)鐘，但導致采樣率不可調。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用兩級采樣。第一級采樣為控制A／D轉換器對外圍的電信號高速采樣，并將其采樣保存到FPGA內部寄存器，該級采樣率恒定不變，并由硬件設計實(shí)現；第二級采樣為軟件采樣，即由FPGA采樣控制模塊從寄存器中提取第一級采集結果，該級采樣率是可調的。

　　2.2 等效采樣

　　根據奈奎斯特定律，采樣頻率高于信號頻率的兩倍就可恢復原波形。當采樣頻率等于或小于信號頻率可采用等效采樣，在不同周期獲取不同相位的幅值，根據相位將幅值連續排列即可復原波形。

　　采用內觸發(fā)采樣，即巾被測信號的某相位點(diǎn)位為觸發(fā)，然后存儲。其實(shí)現過(guò)程：每一個(gè)完整的采樣需采集256個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)采樣點(diǎn)都是由相同電平觸發(fā)，觸發(fā)后啟動(dòng)FPGA內部的計數器，對高頻脈沖記數，脈沖數不同，代表相位也不相同。經(jīng)過(guò)256個(gè)周期，就可采集256個(gè)不同的相位點(diǎn)。

　　3 基于FPGA的等效采樣

　　3.1 實(shí)現方案

　　該系統沒(méi)計采用延遲法來(lái)實(shí)現等效采樣。如圖3所示，設輸入信號f(t)的周期為T(mén)(頻率為f)，若將f(t)的一個(gè)周期T以△t等分，在時(shí)間t1進(jìn)行第一次取樣，為了采集到下一個(gè)相位點(diǎn)，在時(shí)間t2進(jìn)行第二次采樣，tl～t2可相隔多個(gè)信號周期。假設m個(gè)，則相鄰兩個(gè)采樣脈沖的時(shí)間間隔為(mT+△t)。如此類(lèi)推，以下3個(gè)采樣點(diǎn)則分別在t3，t4，t5時(shí)刻采樣。在每個(gè)觸發(fā)位置延時(shí)N△t(N=0，1，2，3…)后存儲采樣，即可合成一個(gè)完整波形。這種方法控制方便，通過(guò)FPGA完成整個(gè)觸發(fā)、延時(shí)、采樣和存儲功能，但對觸發(fā)電路和延時(shí)電路要求很高。

　　3.2 硬件電路設計

　　3.2.1 整形觸發(fā)電路

　　由于每一次采樣都要由某一事件觸發(fā)，所以該系統設計采用內觸發(fā)，即觸發(fā)源為被采樣信號，并由硬件觸發(fā)電路實(shí)現。該電路可把各種波形的周期信號整形為與原信號周期相同的方波信號。

　　由于采用等效采樣技術(shù)，其被測信號頻率較高。假設被采樣信號的最高頻率約為10 MHz，則整形器件選用Maxim公司的電壓比較器MAX912。當輸入信號電壓高于預置的觸發(fā)電平時(shí)，輸出高電平；反之輸出低電平。圖4所示為整形觸發(fā)電路。

　　3.2.2 采樣保持電路

　　每次采樣是比觸發(fā)時(shí)刻延遲N△t的數據點(diǎn)，但由于被采樣信號頻率很高，要準確采樣到該點(diǎn)基本無(wú)法實(shí)現。為此需要引入采樣保持電路。

　　采樣保持電路的功能：在采樣時(shí)刻到來(lái)之前，該模塊的輸出電壓隨輸入電壓變化。當到達采樣時(shí)刻時(shí)，輸出電壓保持不變，以供TLC5510采樣。其具體電路如圖5所示。

　　該采樣保持電路由兩片運算放大器A1，A2和模擬開(kāi)關(guān)A3構成，采樣時(shí)通過(guò)FPGA控制時(shí)鐘使A3的通道S1導通。A1，A2為單位增益的電壓跟隨器，故Uo=Uc=Uo，此時(shí)電容充電至Uc。因電壓跟隨器的輸出電阻很小，故電容快速充電。斷開(kāi)S1，南于UC無(wú)放電通路，其電壓基本不變，故UO保持不變，即保存采樣結果。

　　3.3 軟件編程控制

　　等效采樣的軟件控制實(shí)際上是指對采樣時(shí)刻的控制和對外圍采樣保持電路時(shí)序的控制，該控制可以在FPGA內部編程實(shí)現，對應的實(shí)現模塊如圖6所示，主要由兩部分組成。其一為數字鎖相環(huán)(PLL)，用于產(chǎn)生頻率足夠高的脈沖信號。由于采樣率與△t有關(guān)，因此將原來(lái)FPGA自帶的40 MHz時(shí)鐘信號送入數字鎖相環(huán)使之5倍頻，進(jìn)而提高至200 MHz。其二為控制模塊，采用同步開(kāi)啟異步復位的編程思想。它有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端：clkce2是被測信號經(jīng)整形電路后的脈沖信號，該信號為同步信號，也為觸發(fā)源。每次采樣都由該信號觸發(fā)開(kāi)始計數；clk_200是數字鎖相環(huán)產(chǎn)生的高頻采樣脈沖，計數開(kāi)始后內部計數器對clk_200計數，當計數到m后(即肌△t時(shí)間)，計數完畢，馬上控制采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)，然后在經(jīng)過(guò)若干個(gè)clk_200時(shí)鐘周期后(為了使信號完全進(jìn)入保持狀態(tài)電平達到穩定)，采樣該數據點(diǎn)(每一數據點(diǎn)代表一個(gè)相位的數據值)。若每一個(gè)采樣周期需要采樣256個(gè)點(diǎn)，則最大延時(shí)為256△t=256／200=1.28μs，而被測信號為10 MHz，其周期為0.1μs，所以?xún)刹蓸狱c(diǎn)之間至少要間隔13個(gè)周期。

　　4 結束語(yǔ)

　　采用傳統的實(shí)時(shí)采樣方法可對頻率低于1MHz的信號進(jìn)行采樣，而對于頻率較高的信號，則介紹基于FPGA的等效采樣技術(shù)，能使得TLC5510對高頻信號采樣，TLC5510應用更加廣泛。