瞬态响应信号数据采集电路设计

王金明，菅少晗，李忠虎，张 飞，李 贵，赵学全

(1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010；2.国华巴彦淖尔(乌拉特中旗)风电有限公司，内蒙古巴彦淖尔 015000)

0 引言

瞬态响应是系统在某一典型信号输入作用下，输出量从初始状态到稳定状态的变化过程。在爆燃过程、化学反应、电磁波回波检测、发动机设计等领域存在大量瞬态过程[1-6]。这些瞬态过程中蕴含着丰富的过程信息，对这些信息的检测与分析是分析反应机理、认识事物本质的强有力手段。

瞬态响应信号持续时间短，并且响应过程一般不会重复出现。为了保证采样数据能够对瞬态响应信号有比较完整的表述，要求数据采集设备有较高的采样速率。这些瞬态响应过程大多是μs量级，甚至是ns量级的，尤其是在瞬态光谱测试中基本都是ns量级的信号检测[1-2]。对其进行分析研究离不开高速数据采集设备对瞬态信号的获取。

目前，对这些瞬态响应过程的分析通常是在实验室条件下完成的，采集瞬态信号的任务大多是由高速数据采集卡、高速示波器等昂贵的实验设备完成的。这些实验设备并不适用很多的现场检测场合。这在很大程度上限制了瞬态响应技术的应用。针对瞬态响应信号采集领域的这些特点，本文设计了一款结构比较简单、易于小型化、采样速率在200 MSPS的数据采集电路系统，以实现瞬态数据采集设备便携化设计目标。

1 系统总体设计方案

瞬态响应信号数据采集电路以模数转换芯片AD9481为核心，选择合适的高速时钟芯片为模数转换芯片提供时钟信号，模数转换芯片随时钟信号进行数据转换；模数转换芯片的输出数据进入数据锁存电路；数据输出同步时钟信号进入时钟调整模块，调整后的时钟信号和锁存数据在高速数据存储模块进行数据缓存。电路系统总体结构图如图1所示。

电路系统的控制端口以及数据读取端口可以与微控制器模块相连接，实现数据采集的启动/停止控制与数据读取。在对整个瞬态响应信号的采集过程中，不需要外部连接端口的干预，电路系统可脱机独立完成数据转换以及缓存。在完成数据转换后，微控制器模块可以通过相应端口对采集的全部数据进行读取，然后完成后续的数据处理工作。

2 系统主要电路设计实现

设计的数据采集电路主要包括模数转换电路与高速数据缓存电路，这些电路由3.3 V的低压差线性稳压模块提供工作电源；信号的差分运放电路由外部+5 V的单电源供电。

2.1 模数转换电路设计

模数转换电路由模数转换芯片、时钟芯片及其外围电路组成。

本文的模数转换芯片选择AD9481芯片，该芯片为8位、最大数据转换速率为250 MSPS的ADC。只需要提供一个3.3 V的电源和一个差分时钟信号即可工作；另外该芯片为解复用CMOS信号输出，可以直接与标准逻辑接口进行连接。因此，选择该芯片能在很大程度上降低系统的设计复杂程度。

端口PDWN用于控制模数转换芯片的启动/停止。时钟芯片选择SiT9102系列有源晶振中时钟速度为200 MHz、输出电平为LVDS、频率稳定度为±50 ppm的时钟芯片。端口CLKOE用于控制时钟芯片的启动/停止。模数转换模块电路图如图2所示。

参考电压设置电路图如图3所示。本系统中，AD9481芯片的参考电压采用可编程参考的连接方式。SENSE的自偏电压为0.5 V，通过选择匹配的R5、R6阻值，可以设置VREF引脚的电压为0.5×(1+R5/R6)。根据芯片数据手册的要求，R5+R6的阻值应不小于10 kΩ。本文电路的差分输入量程通过外部电阻设置为最大1.5 V。

2.2 差分运放电路设计

AD9481芯片转换的模拟信号以差分的形式输入。为获得最佳动态性能，模拟输入需要差分驱动以及匹配的阻抗。需要采集的模拟信号通常为单端信号，为了更好地适应AD9481芯片，需要将单端信号转换为差分信号。本文采用AD8138芯片完成单端-差分信号的转换。

AD8138是易于使用的单端-差分信号转换芯片，输出的共模电压可以通过VOCM引脚进行调整，运放的外部增益通过相应电阻可调，适用于ADC的差分驱动输入电路。该电路系统中使用的差分运放电路图如图4所示。

当信号源的输出内阻为50 Ω时，需要并联一个大约47 Ω的电阻R15，使2个运放的增益相匹配，实现差分输出平衡。通过R13和R14将差分信号的共模电压设定为2.0 V。

2.3 数据缓存电路设计

高速模数转换模块的数据输出速度一般远大于微控制器模块的数据读取速度。因此，高速模数转换模块与微控制器模块之间需要高速数据缓存模块作为连接桥梁[7]。AD9481有PORT_A、PORT_B 2个8位的数据输出端口，在进行数据转换时，2个数据输出端口交替输出数据，同时产生数据同步输出时钟信号DCO±。在200 MSPS的转换速率下，数据输出的速率为100 MHz。

高速数据缓存电路主要包括数据锁存、时序调整以及数据缓存芯片这3部分。高速数据缓存模块的电路图如图5所示。

高速数据缓存电路采用SN74LVT574芯片进行输出数据的锁存；采用74VCX86芯片进行同步时钟信号的时序调整；数据缓存芯片采用72V263-L6系列芯片，72V263芯片是高速FIFO存储芯片。在完成初始化后，仅需要提供符合要求的时钟信号就能写入数据；在数据宽度为9位的情况下，一个芯片最大可以缓存16 384个数据，L6系列芯片的最大数据读写速度可达166 MHz，完全能够满足本电路系统的数据缓存任务需要；2路信号复用器NC7SZ157P6X芯片能够很好地解决72V263芯片的RCLK引脚的读写时序问题。

3 电路分析测试

本文搭建了电路硬件系统，电路系统硬件实物如图6所示。本部分将对差分运放电路、时序调整电路、信号采集性能进行分析测试；对电路系统的整体性能进行验证。

3.1 差分运放模块分析测试

差分运放电路是目标信号由单端到差分转化的关键电路模块，AD9481以差分信号为输入进行数据采集。因此，采集数据与原始信号的准确对应关系非常依赖差分运放模块的性能。

差分运放电路的参数计算、仿真采用Diff-Amp Calculator，可以通过设置运放增益、输入共模电压等参数实现信号波形仿真、噪声计算以及功耗计算等。通过设置运放的目标增益为1，反馈电阻和增益电阻设置为523 Ω，输入信号选择单端模式，输出信号选择差分输出模式，Diff-Amp Calculator软件的仿真图如图7所示。

通过示波器获得的差分运放电路+OUT、-OUT的差分输出信号波形图如图8所示。其中差分输出信号由+OUT与-OUT信号的差得到。

表1为仿真信号与测试信号的数据对比，其中交流分量表示的是信号的峰-峰值。通过输出波形图以及测试数据的对比，表明电路实际测得的信号参数与软件仿真参数有较好的符合度，可以实现单端信号到差分信号的转换。

3.2 时序调整电路分析

根据IDT 72V263芯片手册对写入数据的时序要求，写入的数据在写入时钟上升沿之前至少2 ns的数据建立时间，写入时钟上升沿后数据有至少0.5 ns的数据保持时间。而AD9481的数据输出同步时钟信号上升沿与输出数据之间存在-0.5～+0.5 ns的延迟。因此，不能直接使用AD9841的数据输出时钟信号和输出数据。应该通过时序调整电路调整时钟信号，并通过调整后的时钟信号进行数据锁存。

表1 仿真数据与测试数据对比 V

由于数据输出时钟信号同时受到电路其他模块的影响，数据锁存所用的时钟信号和数据缓存所用的时钟信号的调整最终通过实验测试来确定。实际测试表明需要调整的时钟信号与高电平进行异或调整，可以将采集的数据以正确的顺序存储到存储芯片中。

3.3 信号采集能力分析测试

设计的电路系统对信号的采集能力包括采集的数据是否能反映出采集的原始信号，以及电路系统可以对多长响应时间的信号连续地进行数据采集。本部分将对以上两方面进行测试分析。

3.3.1 信号采集完整性测试

通过输出信号内阻为50 Ω的信号源给出一个频率5 MHz、直流分量为0 V、交流分量峰-峰值为1.3 V的正弦信号作为测试信号，将电路系统与STM32微控制器模块相连接，进行数据采集。

设计的电路系统采样速率为200 MSPS，对于5 MHz的信号，每个周期采样的数据点理论上应该有40个。通过实验测试，在采集的数据序列中，从随机位置开始向后连续选取200个数据点，理论上这些数据点将包含5个周期的数据。将选取的数据点绘制在坐标系中，生成信号采集数据曲线。测试信号的数据点曲线如图9所示。

通过图9可以看到有5个周期的正弦信号，与理论预期的5个周期信号长度相符合，与信号源提供的信号波形一致。测试表明该信号采集电路能够以200 MSPS采样速率完整地对目标信号进行数据采集。

3.3.2 信号采集时间长度分析

电路系统采用2片72V263存储芯片交替存储AD9481转换的数据，单片存储芯片可以存储16 384个9位数据，A/D转换数据为8位数据。该电路系统单次信号采集可以缓存32 768个数据；ADC转换速率为200 MSPS，输出数据的间隔时间为5 ns；将存储芯片存储满需要163 840 μs的时间长度。以上分析表明该信号采集系统可以完整地对响应过程大约在160 μs以内的瞬态响应信号进行数据采集。

4 结论

本文对相关电路进行了设计、搭建了实物电路、并做了分析测试，测试表明该电路系统采样速率能够达到200 MSPS，可以对响应时间在160 μs以内的瞬态响应信号以5 ns的时间分辨率进行数据采集。若对数据缓存电路做结构上的扩展，则能缓存更多的数据，能够对响应时间更长的瞬态信号进行采集。需要注意的是测试中使用的信号源内阻为50 Ω，而在实际使用中，信号采集端与不同输出内阻的信号电路连接时，要及时调整差分运放的增益电阻和反馈电阻的阻值，保证差分运放的输出平衡。光电探测器等检测元器件的瞬态响应信号进行适当的调理后，该检测系统可以对目标信号进行检测。

该瞬态信号采集电路结构比较简单、性能稳定，易于实现检测设备小型化的设计。通过与STM32等微控制器模块相连接，可以实现一个便携的、完整的瞬态信号检测与处理系统。