基于AD9650的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

忽略其他因素，僅考慮時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)ADC性能的影響，由式(1)可知，若要對(duì)20 MHz的中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，同時(shí)保證74 dB以上的SNR,則要求時(shí)鐘抖動(dòng)最大為1.588 ps RMS.且ADC電路的時(shí)鐘抖動(dòng)(tjitter)與采樣時(shí)鐘抖動(dòng)(tjitter_clk)和ADC器件自身孔徑抖動(dòng)(tjitter_adc)之間存在如下關(guān)系：

另外，采樣時(shí)鐘的相位噪聲對(duì)ADC 性能有著重要影響。若采樣過(guò)程用單位圓來(lái)表示，則每通過(guò)一次零相位，ADC 進(jìn)行一次采樣。采樣時(shí)鐘上的噪聲將對(duì)相應(yīng)矢量的頂點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制，從而改變發(fā)生過(guò)零的位置，造成采樣過(guò)程提前或編碼過(guò)程延遲。而采樣時(shí)鐘上的噪聲矢量可能是相位噪聲所導(dǎo)致的。如圖2所示。

圖2 中，理想情況下時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)為單譜線。然而，受電源噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)等因素影響，頻域中存在大量能量分布在理想頻率附近，代表相位噪聲的能量。由于相位噪聲往往可能擴(kuò)展至極高頻率，所以，它會(huì)使ADC的性能下降[6].采樣過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)采樣時(shí)鐘與模擬輸入信號(hào)的頻域卷積過(guò)程，這個(gè)卷積過(guò)程在整個(gè)頻譜域有效，同時(shí)在微觀上也同樣有效。因而，圖2所示的時(shí)鐘頻率周圍集中的相位噪聲也將與模擬輸入進(jìn)行卷積，造成輸出的數(shù)字信號(hào)頻譜失真。

采樣時(shí)鐘相位噪聲通常以單邊帶相位噪聲來(lái)衡量，即：

由此可以計(jì)算出采樣時(shí)鐘相位噪聲，作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。在本系統(tǒng)中，為保證時(shí)鐘特性，時(shí)鐘源由高精度晶振提供，時(shí)鐘抖動(dòng)控制在1.2 ps RMS以內(nèi)，相位基底噪聲為-165 dBc/Hz.板上時(shí)鐘轉(zhuǎn)換選用AD 公司的AD9513,其附加的時(shí)鐘抖動(dòng)為300 fs,輸出的時(shí)鐘信號(hào)性能滿足要求。它實(shí)現(xiàn)對(duì)單路時(shí)鐘轉(zhuǎn)兩路LVDS信號(hào)，給AD9650 提供采樣時(shí)鐘，同時(shí)給FPGA 提供同步控制時(shí)鐘。圖3給出了時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)原理圖。

2.3 前端電路設(shè)計(jì)

ADC前端電路主要完成對(duì)模擬輸入幅度、信號(hào)形式的調(diào)整。它采用交流耦合方式，通過(guò)差分放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度調(diào)整，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)。并且，通過(guò)后續(xù)的濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

雖然差分運(yùn)放是有源器件，使用中會(huì)消耗功率，且產(chǎn)生噪聲，但它的性能限制比變壓器少，可以在必須保留直流電平時(shí)應(yīng)用，而且放大器增益設(shè)置簡(jiǎn)單靈活，且通帶范圍內(nèi)提供平坦的響應(yīng)，而沒(méi)有由于變壓器寄生交互作用引起的紋波。

ADC的 S (N + D) (信號(hào)噪聲失真比)是決定驅(qū)動(dòng)放大器的關(guān)鍵因素。如果在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)放大器的THD ( 總諧波失真加性噪聲) 總是優(yōu)于ADC 的S (N + D) 值 6~10 dB,那 么 所 有 由 放 大 器 造 成 的S (N + D)降低將相應(yīng)限制在接近0.5~1 dB.

利用ADI 公司提供的ADI DiffAmp Calculator 軟件可得到前端電路仿真圖，如圖5所示。由文獻(xiàn)[3]可知在輸入信號(hào)為15 MHz時(shí)，AD9650的 S (N + D) 為82 dB,而圖5 中AD8139 的THD 為88 dB,滿足上述要求。綜合考慮增益及通帶內(nèi)響應(yīng)及輸入阻抗等因素，前端電路采用ADI公司的差分運(yùn)放AD8139.

3 方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)物

根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)的高速大動(dòng)態(tài)范圍ADC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號(hào)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和嵌入式單板機(jī)等。