采用FPGA器件和模数转换器实现A／D数据采集卡的设计

高速A／D采集技术已在许多领域得到愈来愈广泛的应用，本文将详细论述采用CPLD技术来实现120MHz高速A／D采集卡的设计方法，该采集卡具有包括负延迟触发在内的多种触发方式，采用CPLD复杂可编程逻辑器件（又称FPGA）EPM7128SQC100－7和AD公司的高速模数转换器（A／D）AD9054BST－135来实现。

1、芯片介绍

1．1 EPM7128SQC100－7简介

EPM7128SQC100－7内含128个宏单元（或2500个可用门），其引脚到引脚的最短传输延时为7ns，采用单＋5V电源供电，可通过 JTAG接口实现在线编程，并带有可供84个用户使用的I／O脚（其中4个为专用输入脚）。该器件采用PQFP－100封装。其中TDI、TDO、 TMS、TCLK脚为编程脚；GCLK、GOE、GCLEAR、REDIN脚为专用输入脚；VCCINT、VCCIO脚接＋5V电源；GND脚接地； I／O为用户可编程输入输出脚。在I／O脚作输出使用时，可由用户设定为0，1和Z三种状态。

1．2 AD9054BST－135简介

AD9054BST－135是一种低价位135MSPS的8位A／D转换器，其模拟输入电压峰峰值为1V，且内置2．5V参考电压，采用＋5V单电源供电，并可与TTL电平接口，具有单8位或双8位A／D转换结果输出模式，采用TQFP－44脚封装形式，其内部结构如图1所示，各管脚的定义如下：

AIN：模拟电压输入正端；

模拟电压输入负端；

ENCODE：时钟输入正端；

：时钟输入负端，通常应通过电容耦合接地；

：输出数据模式设置引脚。该脚为1时，采用单8位A／D转换结果输出模式。该脚为0时，采用双8位A／D转换结果输出模式；

DS：数据同步控制引脚，正脉冲输入；

AD7～DA0：A／D转换输出；

D B7～DB0：A／D转换输出；

V REFOUT：＋2．5V参考电压输出；

V REFIN：参考电压输入；

DVD：＋5V电源输入端；

GND：电源地。

使用时，如将接地，则AD9054工作于双8路数据输出模式。上电后，DA7～DA0及DB7～DB0均以二分之一的ENCODE频率（即120MHz／2）输出A／D 转换结果，因此从DA7～DA0及DB7～DB0读取的A／D转换结果，无法知晓DA口与DB口的数据所对应的采样点在时序上的先后。这样，需要加一个数据同步脉冲DS信号，并让DS正脉冲的后沿后的4个时钟周期上的DA口与DB口同步有效，即在DS后沿的第2N＋1与2N＋3个ENCODE上升沿期间输出第K点采样值的转换结果；在DS后沿后第2N＋2与2N＋4个ENCODE上升沿期间输出第K＋1点采样值的转换结果（注：N≥1，K≥0，K＝0对应的采样值为DS下降沿后ENCODE第一次上升沿时刻所对应的采样输入值）。因此，在施加DS信号后就可以得知任一时刻A口数据与B口数据所对应的采样点在时间上的先后顺序，以便读取有用的A／D转换数据。

2、系统设计原理

图2是基于CPLD的高速 A／D采集卡的系统设计原理框图。图中，89C51送往EPM7128S的控制信号包括一个A／D启动信号SAD、一个读SRAM信号RRD和一个地址加一控制脉冲ACLK。而EPM7128S送往AD9054的信号为一个DS同步信号，送往89C51的信号为转换结束信号（接INT0）和超前触发地址串行输出信号SADR。

EPM7128S送往61128－15SRAM的信号包括读信号RD、写信号WE、数据信号DINA0～7和DINB0～7以及地址信号ADR0～16。其中两片SRAM的地址信号共用。为了节省EPM7128S的I／O口线，可将61128－15的片选线接地。

QA信号为外触发A／D转换控制信号。

在本文所介绍的A／D数据采集卡中，负延迟触发存贮深度为2k字节。上电复位后， 89C51向EPM7128S发一个A／D启动信号时，EPM7128S也会发一个DS同步脉冲给AD9054，在四个时钟后，EPM7128S输出WE 信号有效，同时将AD9054输出的双8位数据信号以60MHz的频率经锁存处理后送往SRAM，每锁存AD9054数据一次（2字节）将地址 ADR0～13加1。当地址为3FF时（即1k），清地址计数器以使其为零。此后，地址计数器仍以60MHz的频率加1计数，而锁存器仍以60MHz的频率锁存双8位数据并写入SRAM。当地址为3FF时再一次清零，在外触发信号QA到来之前，CPLD就这样控制着整个电路以使其在2k字节存贮深度内作超前循环采集。当某一时刻的QA信号到来时，CPLD首先将此时的地址信号的前10位ADR0～9锁存，随后将地址计数器置为400H，而后地址计数器仍以 60MHz的频率加1计数，而锁存器也以60MHz的频率锁存双8位数据并写入SRAM。当地址计数器为1FFFFH（即128k）时，地址计数器停止计数，锁存器停止锁存数据并对外输出高阻态，CPLD向89C51送出转换结束信号ADEND，并置WE信号无效。

当89C51收到ADEND中断信号后，就可以读取SRAM中的A／D数据以及CPLD中的超前地址ADR0～9。首先89C51将送出一个RRD信号给 EPM7128S，EPM7128S收到RRD信号后立即置RD信号有效，同时将地址计数器清零。此时，两片SRAM均输出地址为0的单元的数据，同时由 CPLD的SADR线输出负延迟触发地址ADR0～9中的ADR0位。89C51则可通过P0和P2口由DINA和DINB分别读取SRAM中的数据，并通过P1口由SADR读地址ADR0位。此后89C51便向EPM7128S发出一个地址加一脉冲ACLK，EPM7128S在收到这个ACLK脉冲后使 ADR0～13加1，同时CPLD由SADR线输出负延迟触发地址ADR0～9中的ADR1位。这样，89C51便可通过不断地发ACLK脉冲来使P0、 P2口的DINA和DINB分别读取SRAM中的数据，并通过P1口来由SADR读负延迟触发地址ADR0～9。

3、CPLD部分的设计

由于EPM7128SQC100的内部逻辑电路是整个系统设计的关键，因此，了解EPM7128SQC100的内图2基于CPLD的高速A／D采集卡统框图基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的120MHz高速A／D采集卡的设计部结构十分重要。图3是其内部结构原理框图。

图3中有三个574锁存器，其作用是将AD9054输出的在时序上未对齐的DA、DB两组数据变为时序上对齐的两组数据DINA、DINB，图4是其对齐操作时序图。

将120MHz信号二分频后所得到的60MHz信号可作为整个逻辑电路的工作频率。工作时，同步控制电路首先将外输入信号与内部60MHz信号同步，然后送往各单元电路。地址计数器的工作情况有两种：一是进行A／D采集时以60MHz频率计数，二是89C51读数时以ACLK脉冲频率计数。RD、WE发生电路的作用是当89C51发SAD信号时，电路输出WE信号有效，RD信号无效；而当89C51发RRD信号时，电路输出RD信号有效，WE信号无效。 DS信号发生电路的作用是在收到89C51的SAD信号时发送一个DS正脉冲。

10位移位寄存器的作用是当外触发信号QA到达时将地址计数器中的ADR0～9锁存，当收到RRD信号后，系统每接收一个ACLK脉冲便将寄存器移位输出一次，顺序是低位在前。

4、单片机的软件设计

单片机的软件设计主要是负责把各种控制信号和数据送给CPLD，并把采集到的数据通过接口送到上位机或其它设备。本卡中的接口有串口和并口两种类型。对CPLD的操作的软件流程框图如图5所示。

由于采用了负延迟触发，所以由SRAM所读取的256k字节并不是按时间的先后顺序存放的，因此必须进行重新排序整理。

5、注意事项

在利用本文的设计方法进行120MHz A／D设计时应注意以下几点：

（1）应选用高速器件。

（2）电路中的器件布局要合理，高频信号线应尽量的短。

（3）进行时序分析时应充分考虑器件延时，必要时应考虑长线传输延时，这也是高频信号线应尽量短些的原因之一。

（4）尽量采用同步设计。也就是说整个电路要尽最大可能按某一高频时钟同步工作。本电路的同步时钟为60MHz。

（5）电路内部要尽量滤去毛刺。特别是触发器、计数器的时钟信号、清零信号和置位信号，更应如此。

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