2003年第17卷第4期测试技术学报V o l.17　N o.4　2003 (总第46期)JOURNAL OF TEST AND M EASURE M ENT TECHNOLOG Y(Sum N o.46)文章编号:167127449(2003)0420287206超高速数据采集技术发展现状Ξ马海潮(辽宁省葫芦岛市92941部队,辽宁葫芦岛市125001)摘　要:　介绍超高速数据采集技术发展现状和动态.概述当前领先的几种超高速数据采集板卡;给出了目前主要超高速ADC芯片,对超高速ADC芯片静动态性能指标进行了描述.关键词:　超高速数据采集系统;闪式ADC;标准总线中图分类号:　T P274 文献标识码:AExtra H igh Speed Data Acquisition Technology D evelop m en tsM A H ai2chao(N o.92941PLA,L iaoning P rovince,H uludao125001,Ch ina)Abstract:　T he cu rren t ex tra h igh speed data acqu isiti on techno logy developm en ts are summ arized. Several leading ex tra h igh sp eed data acqu isiti on boards in m arket are given.M ain p roducts of ex tra h igh speed flash ADC ch i p s are p resen ted.T he static and dynam ic characteristics of an ex tra h igh speed ADC ch i p are described.Key words:h igh2sp eed data acqu isiti on system;flash ADC;standard bu s将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据采集,而相应的系统则为数据采集系统(D ata A cqu isiti on System)[1～3].数据采集技术是信息科学的一个重要分支,它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作,它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础.由于数据采集技术可以使许多抽象的模拟量数字化,进而给出其量值,或通过信号处理对该模拟量进行分析.与模拟系统相比,数字系统具有精度高、可靠性高等优点,因此,数据采集技术的应用越来越广泛.如温度、压力、位置、流量等模拟量,可以通过不同类型的传感器将其转换为电信号模拟量(如电压、电流或电脉冲等),再通过适当的信号调理将信号送给模拟数字转换器(ADC),使其转换为可以进一步处理的数字信号送给数字信号处理器或微处理机.反之,数字信号处理器或微处理机可通过数字模拟转换器(DA C)将其产生的数字信号转换为模拟信号,再通过信号调理进行输出.随着科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用,对数据采集系统的许多技术指标,如采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求,其中前两项为评价超高速数据采集系统的最重要技术指标.提高数据采集系统的采样率可更深入、更细微、更精确地了解物理量变化特性.在许多应用场合,需要超高速数据采集系统来完成许多低速数据采集系统无法完成的工作.在雷达制导方面,需超高速、高精度地大量获取目标数据,并进行实时处理以完成对运动目标的检测和识别.在观测供电传输线上的浪涌电流时,由于浪涌的持续时间仅有几百纳秒,而电压的变化范围则可达几千伏,要精确地了解其变化Ξ收稿日期:2003205219　作者简介:马海潮(1962-),男,博士,副总工程师,主要从事测控总体和调整数字信号处理系统硬件和软件设计等研究.882测试技术学报2003年第4期过程,就需要数据采集系统有极高的采样率.在高速电路中的毛刺捕获、火箭喷气流量的动态测试以及遥感遥测等场合均需要高速或超高速数据采集技术[4].超高速数据采集技术已广泛应用在雷达、导弹、通信、声纳、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、智能仪器、语音处理、激光多普勒测速、光时间域反射测量、物质光谱学与光谱测量、生物医学工程等多个领域,进而不断推动着这些领域的发展.1　超高速数据采集发展动态随着微电子技术的飞速发展,超高速数据采集技术也得到了长足的发展.数字存储示波器是典型的数据采集系统.随着其采样率的不断提高,它已成为高速或超高速数据采集系统.制造高速或超高速采样率的数字存储示波器的公司主要有A gilen t,T ek tron ix,N ico let和L ecroy等,数字存储示波器的最高采样率也已达到10GS s.另外,逻辑分析仪、频谱分析仪、网络分析仪等也属于超高速数据采集系统范畴.基于标准总线并带有高速D SP的高速数据采集板卡产品非常多,技术先进、市场主流的厂商主要有Sp ectrum Signal P rocessing,SPEC,Signatec,A cqu isiti on logic,B luew ave等公司.下面扼要介绍目前世界上最先进的数据采集系统产品及其技术性能指标.Sp ectrum Signal P rocessing公司推出的采样率200M S s8b A D VM E板卡是基于VM E总线和高速D SP的超高速数据采集和处理系统.该板卡集成有一片1.2亿次 秒浮点数运算速度AD SP2106×SHA RC处理器.其主要技术指标还包括:128KB×48b或512KB×48b零等待SRAM; 6个SHA RC L ink口;输入电压范围±0.5V;输入时钟可选为200M H z,100M H z或50M H z;多种触发模式;两个96脚VM E总线连接器即P1和P2以及6个SHA RC link口连接器.该板卡配有初始化与数据采集软件,并支持A PEX并行软件开发工具.SPEC公司的SP1225是带有1GS s8b精度数字化仪的超高速数据采集模块(H SDAM)PC I卡.最高可进行500M H z或1GH z波形分析.SP1225工作在连续采样模式,可进行预触发数据存储.在波形数字化并存储在256KB存储器后,数据可通过PC I总线传输给PC机.采集系统的核心是SPEC’s H SDAM PCB模块,H SDAM PCB模块包含一个定制的GaA s A S I C数据采集控制器、一个A D转换器及256KB存储器.该板卡触发方式、门限及采集模式均可通过PC I总线由用户编程设置.其它特性包括可编程数字门限比较器、可编程采样率(÷1,2,4,…256)和可编程预触发延迟等.其应用领域包括静态分析、频谱分析、激光多普勒速度测量、光时间域反射测量等.Signatec公司是有着十多年历史的,面向高性能数据采集、信号处理、波形产生和数据存储等应用的PC机板卡设计制造商.Signatec推出的A D板卡PDA12A采样率为125M S s,分辨率为12b,信号带宽由DC～50M H z.可通过SAB总线(Signatec A ux iliary B u s)以250M B s的速率向其它处理、回放或存储器件传输数据.还能通过PC I总线DM A模式以100M B s速率传输数据.PDA12A实际上是由双通道信号同时采样,每通道采样率62.5M S s,两通道正交采样可获取125M S s采样率.单通道的数据存储空间为256KB×12b或1M B×12b两种可选.Signatec公司的基于PC I总线8b A D板卡PDA500采样率高达500M S s,带宽为DC～500M H z.可通过SAB2总线(Signatec A ux iliary B u s2)以500M B s的速率向其它处理、回放或存储器件传输数据.还能通过PC I总线DM A模式以100M B s速率传输数据.存储容量1M B或4M B 两种可选,用主从配置模式最多4块PDA500可互联用于多通道高速同步采集.根据内存配置与SAB 结构的不同,其报价从＄6100到＄7500.2001年A cqu isiti on logic公司推出基于PC I总线的采样率分别为500M S s,1GS s8b数据采集板卡AL500和AL51G,其存储深度为64M B,256M B和1000M B三种可选.PC I总线为主模式,数据宽度为32b,时钟频率为33M H z,突发模式下传输速率高达133M B s.两种板卡还具有D SP功能:通过对板卡上现场可编程门阵列FPGA硬件实现信号处理;能实时地完成输入数据为200M H z带宽2次型插值或400M H z带宽4次型插值运算等.2003年2月公司制造出基于总线的采样率为1.25 8数据采集卡,型号为AD 21250DM A ,其存储深度为8GB .在66M H z 和64b 数据宽度下,PC I 总线DM A 模式向主机传输数据速率可达320M B s .此卡可用于基于PC I 总线的运行操作系统为So laris 8U n ix 的Sp arc 所有平台.其报价为＄12955.通过上面的介绍,可看出:除了属于通用仪器的超高速数据采集系统以外,对于其它超高速数据采集系统而言,基于标准总线、具有海量数据存储深度、高速D SP 能力和超高速A D 所组成的超高速数据采集系统为当今发展趋势.在设计和选用系统时,就要有这四方面的考虑,即不但要考虑超高速数据采集部分,还要考虑其标准总线接口、数据存储深度和D SP 处理器的性能,因为系统的整体性能已不单是超高速数据采集部分的性能,标准总线接口、数据存储深度和D SP 也已成为评价系统整体性能的重要指标.对于不同应用领域或不同的应用环境和要求,系统的这四个组成部分会有所区别.在工业控制、自动测试和信号处理领域应用广泛的标准总线有Com p actPC I ,PX I ,PC I ,PM C ,VM E 和V X I 等,每一种总线都有自己的特点,所以总线的选择对于系统来说是很重要的.2　闪式超高速ADCADC 数据采集系统是实现超高速数据采集的核心器件,它的选取直接决定着系统的速度和精度.目前生产高速ADC 产品的公司较多,ADC 的种类也较多,主要有逐次逼近式、闪式、分级(或流水线)式和每级一位式等.高速ADC 芯片的主要特点有:①集成度高,将基准电压源、采样保持器和增益放大器等外围单元电路与ADC 一起集成在一块芯片上;②单电源,许多高速ADC 电源电压为+5V ,+3.3V 或+3V .对于高速和超高速数据采集,闪式ADC 则是首选的ADC 类型,因为它的采样率目前在ADC 领域是最高的.闪式或全并行ADC (flash o r parallel ADC )是一种转换速率最快的ADC [5,6].它采用大量的比较器和电阻器,一个N b 闪式ADC 需要2N 个电阻器和2N -1个比较器,其电路结构框如图1所示.图1　闪式ADC 电路结构框图F ig .1　F lash ADC circuit structure diagram 闪式ADC 要实现快速转换,每个比较器必须在相当高的功率状态下工作.如果要求提高其分辨率,除了增加比较器和电阻器的数量以外,基准电阻链上的每个电阻都要很低,以对快速比较器提供足够大的偏置电流,从而要求基准电压源必须提供相当大的电流(>10mA ).因此,闪式ADC 功耗较大.根据闪式ADC 的电路结构,在使用时应考虑静态误差源和动态误差源.静态误差源主要是比较器输入失调电压的变化会影响ADC 的直流线性误差.动态误差源主要包括:比较器的延迟和带宽之间的失配会降低ADC 的SN R 和ENOB .每个比较器的输出端都有一个与输入信号相关的压变结电容,在输入高频信号时,它会降低ENOB 并产生较大失真.另外还包括布线不合理造成的寄生电容的影响.表1给出了当前主要的闪式ADC 生产公司、芯片型号及其分辨率和采样率,并标明了其输出电平类型.AD 6645为目前14b 分辨率中采样率最高(105M S s )的ADC 芯片.M A X 108为目前8b 分辨率中采样率最高(1.5GS s )的ADC 芯片,其可应用于数字射频 视频信号处理、射频下变频、数字示波器、高能物理、雷达 电子对抗系统及自动测试等.闪式ADC 采用ECL 工艺的产品居多,从而带来了芯片功耗大的缺点.因此,在使用闪式ADC 时,不仅要合理解决其周边高频信号的电磁兼容问题,还要考虑982(总第46期)超高速数据采集技术发展现状(马海潮)表1　典型高速闪式ADC芯片Tab.1　T yp ical h igh2speed flash ADC ch i p s公司芯片型号分辨率(b)最高采样率(M S s)输出A nalog D evices AD9054A22008200ECL AD94808250ECL AD9215210510105ECL AD941010210ECL AD9430217012170ECL AD9430221012200ECL AD124012400LVD S AD664514105ECLSignalP rocessing T echno logies SPT77218250ECL SPT77258300ECL SPT77508500ECL SPT77558750ECL SPT776081000ECLM A X I MM A X1008250ECL M A X101A8500ECL M A X10481000ECL M A X1068600PECL M A X10881500PECLH arris H I11668250ECL H I12768500ECL2.2　超高速ADC性能指标2.2.1　超高速ADC静态特性ADC的静态特性是与时间无关的特性,主要包括[2,7]:1)分辨率ADC的分辨率定义为二进制末位变化1所需的最小输入电压与参考电压的比值,即ADC能够分辨的最小的模拟量的变化R=V r 2NV r=12N.(1) 2)量化误差或量化噪声量化电平定义为满量程电压(或满度信号值)U F与2的N次幂的比值,其中N为被数字化的数字信号的二进制位数.量化误差是ADC所固有的.量化误差是由于ADC的有限分辨率引起的内在的不确定性.量化电平一般用Q表示Q=U F2N.(2) 3)输入范围输入范围是指允许输入的模拟信号的最大值与最小值之差.4)动态范围动态范围是指输入范围与ADC最小可分辨的量值之比.5)积分非线性(I NL)ADC的积分非线性定义为码的理想输入转换电平与实际输入转换电平的相对偏差.为了保证ADC 不失码,通常规定在25℃时I NL最大值、最小值分别为0.5L SB和-0.5L SB.I NL是ADC的模拟前端、采样保持器及ADC传递函数的非线性引起的.6)微分非线性误差()092测试技术学报2003年第4期ADC 的微分非线性定义为实际转换的码宽与理想码宽(L SB )的相对偏差,单位为L SB .为了保证ADC 不失码,通常规定在25℃时DNL 最大值、最小值分别为0.5L SB 和-0.5L SB .DNL 是ADC本身的电路结构和制造工艺等造成在量程中某些点的量化电压大于或小于标准的量化电压所引起的.2.2.2　超高速ADC 动态特性超高速ADC 的动态特性是指输入为交变信号时的性能技术指标,它是与ADC 采样率有关的特性.在理想情况下它是由于量化所引起的等效量化噪声,而实际ADC 的动态性能指标则是由于ADC 的非线性等因素所产生的失真、噪声及频响误差等.表征超高速ADC 动态特性的主要技术指标如下[2,7,8]:1)采样率和转换时间采样率为超高速ADC 的最重要指标之一,转换时间或采样周期是为采样率的倒数.转换时间是指从信号开始转换到可获得完整的信号输出所用的时间.2)动态积分非线性误差和动态微分非线性误差这两项指标是从输入输出特性的角度描述ADC 非线性的非参数模型指标.动态积分非线性误差(I NL )定义为在动态情况下(一般输入信号为正弦信号),ADC 实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差.NL 引起的各阶失真分量的幅度随输入信号幅度变化.动态微分非线性误差DNL 引起的失真分量不仅依赖于信号的幅度,而且与DNL 出现的位置相关.3)谐波失真、最坏谐波、总谐波失真和总谐波加噪声失真由于ADC 的非线性使其输出发生失真,在输出的频谱中出现许多输入信号频率的高次谐波,这些高次谐波分量称为谐波失真分量.测量ADC 谐波失真有许多方法.通常用FFT 分析测出各个谐波分量的幅值.设输入信号频率为f a ,采样频率为f s ,则谐波频率f = ±K f s ±nf a ,(3)式中:K =0,1,2,3,…;n 是谐波的阶次n =2,3,4,….用ADC 采集一个正弦波,ADC 输出的谐波有效值之和与基波有效值之比称为总谐波失真(THD ).设V 1为基波幅度(有效值),输入基波信号的幅值一般取低于满度的0.5dB ～1dB (约满度值的89%～95%),以防止输入信号饱和,V i (i ≥2)为谐波幅度(有效值),则T H D =201g≤i Ε2V2iV1.(4) 谐波分量随着谐波次数增大其幅度衰减很大,其中2次和3次谐波是最大的两个谐波,通常取前4个谐波分量即V 2,V 3,V 4和V 5;有时技术指标中仅给出最大或最差的谐波值V 2.总谐波加噪声失真计算式为T H D +N =201g≤i Ε2V 2i +V2nV1.(5)式中:V n 为噪声.4)信噪比、信噪失真比和动态有效位数信噪比(SN R )是信号电平的有效值与各种噪声(包括量化噪声、热噪声、白噪声等)有效值之比的dB 数.SN R 取决于量化位数.位数越大,量化噪声越小.对于正弦输入信号,其理论信噪比由式(6)式给出;如果考虑带宽因素的影响,可由式(7)表示.SN R =(6.02N +1.76)dB ,(6)SN R =6.02N +1.76+10log (f s 2BW ),(7)式中:N 为有效位;f s 为采样频率;BW 为信号带宽.信噪失真比(S IN A D ),又记作S(N +D ),指测量输入信号的有效值与奈奎斯特频率以下的全部谐波分量(不包括直流分量)总有效值之比的dB 数.由于实际的ADC 存在噪声和失真,从而影响到ADC 的实际分辨率,降低了ADC 的位数.在动态情况下即受非线性及各种误差源的影响,当输入信号为正弦信号时,ADC 实际可达到的位数称为动态有192(总第46期)超高速数据采集技术发展现状(马海潮)效位数(EN OB).如果已知S IN A D,将式(7)中的理想信噪比SN R用S IN A D代替,可得EN OB=S IN A D-1.76-10log(f s 2BW)6.02.(8) 像运算放大器一样,尽管ADC提供了模拟带宽的技术指标,但并不意味着在此带宽内保持失真性能或有效位数的一致性.也就是说,不同的输入频率值对应不同的SN R和EN OB值.5)小信号带宽和全功率带宽ADC的模拟带宽是指输入扫描频率基波在ADC输出端用FET分析得到基波频谱下降到3dB处的带宽(不考虑谐波失真和噪声影响).根据输入信号幅值不同,模拟带宽又可分为小信号带宽(SSBW,一般指1 10满量程)和全功率带宽(FPBW,指满量程).6)无杂散信号动态范围超高速ADC应用在通信系统中,最重要的技术指标之一就是无杂散信号动态范围(SFDR).ADC 的SFDR定义为在第一奈奎斯特区测得信号幅度的有效值与最大杂散分量有效值之比的dB数.SFDR 通常是输入信号幅度的函数,可以用相对输入信号幅度的dB数(dB c)或相对ADC满度的dB数(dB FS)来表示.N位ADC的SFDR通常比SN R理论值大许多,这是由于噪声与失真之间的度量方法有着根本的区别.增加ADC的分辨率可以提高其SN R,但不可能增加SFDR.7)互调失真当ADC输入两个频率靠近的信号时,由于ADC传递函数的非线性,将导致互调失真(I M D).通常用两个频率为f1和f2的纯正弦波同时加到ADC的输入端,为了在此两个信号同相位相加时不导致ADC限幅,这两个信号的幅度应略大于ADC的半满量程.互调失真一般是指3阶分量引起的失真,它用某一输入信号幅度的有效值与3阶互调失真有效值之比的dB数表示.谐波失真和互调失真是在频域描述ADC的动态非线性的非参数模型指标.8)噪声功率比噪声功率比(N PR)被扩展用于测量频分复用(FDM)通信系统的传输特性,N PR一般用N PR曲线表示.当输入噪声电平很低时,阻带内的噪声主要是量化噪声.当输入噪声增加时,N PR也随着呈线性增加.ADC的分辨率愈高,其量化噪声愈小,N PR愈高.3　结束语超高速数据采集系统在雷达、通信、电子对抗、航天测量、图像、多媒体等多种领域有着广泛的应用,而且应用背景对超高速数据采集系统的通过速率提出了越来越高的要求,为了更好地发挥其性能,开发基于标准总线和高速D SP的超高速数据采集系统满足对不断发展的超高速数据采集系统要求,是当今数据采集领域的发展趋势.参考文献:[1]　沈兰荪.数据采集技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1990.1.[2]　D evices A.D ata Conversi on Sem inar[M].N o r w ood M A U SA:A nalog D evices Inc,1982.2-82.[3]　D evices A.A nalog C ircuit D esign Sem inar[M].N o r w ood M A U SA:A nalog D evices Inc,1982.5.[4]　沈兰荪.高速数据采集系统的原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,1995.5-6.[5]　Kester W.F lash ADC T 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