《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA實(shí)現(xiàn)的高速等效采集系統(tǒng)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2011年第10期
劉俊斌, 吳松林, 周衛(wèi)星
（華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,， 廣東 廣州510006）
摘要： 基于FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)高速等效采集系統(tǒng), 采樣速率高達(dá)1 GHz。通過對被測信號的周期進(jìn)行測量，動(dòng)態(tài)配置鎖相環(huán)，使采樣時(shí)鐘的周期剛好比被測信號的周期大1 ns，從而完成對被測信號的等效采樣。系統(tǒng)采用Quartus II軟件進(jìn)行系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，使用NIOS IDE II軟件完成軟件代碼的實(shí)現(xiàn),。該系統(tǒng)在以Cyclone III FPGA芯片為核心的DE0開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,。
中圖分類號： TP274.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B
文章編號： 0258-7998(2011)10-0084-03
A equivalent sampling system based on FPGA
Liu Junbin, Wu Songlin,， Zhou Weixing
School of Physics & Telecommunication Engineering,South China Normal University,Guangzhou 510006, China
Abstract： It has introduced the equivalent of a high-speed FPGA-based sampling systems, sampling rates up to 1 GHz. To complete the equivalent of the measured signal sampling, by measuring the measured signal cycle, re-configure the Phase Locked loop and the cycle of sampling is bigger than measured signal as much as 1 ns. The Quartus II software is used to design system and the NIOS IDE II software is used to complete the realization of software code, the whole system is based on DE0 development board with Cyclone III FPGA chip.
Key words : high-speed equivalent sampling; FPGA; reconfigurable phase locked loop

    在現(xiàn)代電子測量、通信系統(tǒng),、雷達(dá)等領(lǐng)域,，經(jīng)常涉及對高頻模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，以便進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。根據(jù)奈奎斯特采樣定理,，對高速模擬信號進(jìn)行不失真采集，采樣頻率必須為信號最高頻率分量的兩倍以上,，當(dāng)信號頻率較高時(shí),，對器件速度的要求很高。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵技術(shù)被國外所掌握,，市場售價(jià)相當(dāng)昂貴,。當(dāng)采集的模擬信號是周期性信號時(shí)，利用信號的周期性，采用等效時(shí)間采樣原理就可以用較低速的ADC實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集,從而減小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度,，簡化周期性寬帶模擬信號的高速數(shù)據(jù)采集問題[1],。等效采樣是一種欠采樣技術(shù)，它利用信號的周期性,，以增加采集時(shí)間為代價(jià),，降低對高速采樣電路的壓力，通過重組恢復(fù)原始信號,，可以實(shí)現(xiàn)周期信號或者重復(fù)信號的數(shù)字化,。

1 等效采樣的原理
    根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率在信號最高頻率分量的兩倍以上就可恢復(fù)原波形,。而如果使用等效采樣,，在信號的每個(gè)周期或相隔幾個(gè)周期取一個(gè)樣,而每個(gè)取樣點(diǎn)分別取自每個(gè)輸入信號波形不同的位置上,若干個(gè)取樣點(diǎn)成為一個(gè)周期, 可以組成類似于原信號的一個(gè)周期的波形[2]。相對于實(shí)時(shí)采樣,，等效采樣技術(shù)在采樣重復(fù)信號時(shí)可以實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)字化轉(zhuǎn)換速率。
    等效時(shí)間采樣的基本原理是利用取樣技術(shù)把高頻的,、快速的重復(fù)信號轉(zhuǎn)換成低頻的,、慢速的信號。等效采樣分為兩種方式：隨機(jī)采樣和順序采樣,。隨機(jī)采樣,，是從若干連續(xù)的信號周期中采集到多組采樣點(diǎn)來構(gòu)成波形，每一組新的觸發(fā)點(diǎn)都是由一個(gè)新的觸發(fā)事件來啟動(dòng)采集的,，一個(gè)觸發(fā)事件到來以后,，就采集信號波形的一部分，經(jīng)過若干周期以后存儲(chǔ)器內(nèi)存貯了足夠的采樣點(diǎn),，就可以在屏幕上重建一個(gè)完整的波形[3],。順序等效采樣在每個(gè)觸發(fā)捕獲一個(gè)樣值，而不依賴于時(shí)間/格的設(shè)置和掃描速度,，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)觸發(fā)經(jīng)過一個(gè)雖然很短卻明確的延遲,， 就獲得采樣值。當(dāng)發(fā)生下一次觸發(fā)時(shí), 延遲增加一段小的增量Δt,。這個(gè)增量就是等效采樣的周期,。該過程重復(fù)多次延時(shí)不斷增加到前一個(gè)捕獲量中, 直到時(shí)間窗口填滿[2]。如圖1所示[4],。

2 設(shè)計(jì)思路
    在高速等效采樣中,，普遍存在難以確定觸發(fā)點(diǎn)的問題。本系統(tǒng)采用Cyclone III的可重配置PLL產(chǎn)生與被測信號周期相差1 ns的時(shí)鐘作為ADC的采樣時(shí)鐘對信號進(jìn)行等效采樣,，有效地解決高速等效采樣中觸發(fā)點(diǎn)位置難以確定的難點(diǎn),。系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。系統(tǒng)初始化后，首先計(jì)算輸入信號的周期,，根據(jù)差頻公式(f=1/t=1/(k×T+Δt),其中f為采樣頻率,，k為常數(shù)，T為信號周期,，Δt為等效采樣周期1 ns）計(jì)算出系統(tǒng)的采樣頻率,，然后利用窮舉法找出PLL輸出的時(shí)鐘最接近這個(gè)采樣頻率的相關(guān)參數(shù)值。把參數(shù)值賦給ALTPLL_RECONFIG模塊,，PLL經(jīng)過重配置后輸出的時(shí)鐘即為ADC采樣時(shí)鐘,。ADC采樣輸出的數(shù)據(jù)保存到片內(nèi)RAM中，最后通過串口輸出到計(jì)算機(jī)顯示,。

    系統(tǒng)框圖如圖3所示,。外圍電路主要有分頻器和ADC。分頻器的主要作用是把輸入的模擬信號變成脈沖信號,，同時(shí)把高頻信號分頻為較低頻的信號,，便于計(jì)算被測信號的周期(相對于輸入信號)，ADC則負(fù)責(zé)采樣,。其他部分功能由FPGA實(shí)現(xiàn),。采用NIOS II處理核和Avalon總線控制系統(tǒng)搭配各個(gè)模塊,這與使用MCU方案相比，系統(tǒng)更加小型化,，集成度更高,，運(yùn)行速度更快，同時(shí)還減少了物理連接,。這樣不僅降低了功耗,，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要功能模塊包括頻率計(jì)算模塊,、采樣頻率生成模塊,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和串口通信模塊等。
3.1 頻率計(jì)算模塊
    首先把被測信號通過分頻器進(jìn)行分頻,，通過對分頻后脈沖信號計(jì)數(shù)可得信號周期T,。根據(jù)自定義的差頻公式f=1/t=1/(k×T+Δt)(t為實(shí)時(shí)采樣周期，k為可變整數(shù),，T為信號周期,，Δt為等效采樣周期)，可計(jì)算出實(shí)時(shí)采樣頻率,。
3.2 采樣頻率生成模塊
    利用ALTPLL_RECONFIG宏功能和ALTPLL宏功能產(chǎn)生采樣頻率,，此頻率可根據(jù)被測信號實(shí)時(shí)改變。根據(jù)前面計(jì)算出的實(shí)時(shí)采樣周期,，使用窮舉法得到PLL的M,、N和G1,、G2參數(shù)的最佳值。根據(jù)這些參數(shù)重新配置PLL,，PLL生成的采樣頻率即可滿足要求,。重配置PLL的仿真圖如圖4所示。當(dāng)write_param有效時(shí),，改變其中一個(gè)寄存器的值,，修改寄存器值其間，busy為高電平,，此時(shí)write_param無效,。當(dāng)busy為低電平時(shí)，可以繼續(xù)修改下一個(gè)寄存器的值,。當(dāng)需要改變的寄存器修改完以后,，使reconfig為高電平，ALTPLL_RECONFIG模塊開始對PLL進(jìn)行重配置,，以產(chǎn)生采樣所需要的時(shí)鐘,。重配置完成后過一段時(shí)間，PLL重新鎖定,，輸出采樣時(shí)鐘c0,。

 

 

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
    由于采樣的頻率較高，ADC輸出的數(shù)據(jù)率很高,，由于受AVALON總線速度的限制，采用直接把采樣數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)RAM的方式,?？紤]到被測信號是周期信號，所以只需要一個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù),，采樣數(shù)據(jù)比較少,，片內(nèi)RAM已足夠。
3.4 串口通信模塊
    存入片內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)可以通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī),，由計(jì)算機(jī)顯示采樣數(shù)據(jù)得到的波形,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析
    完成設(shè)計(jì)以后，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試,。當(dāng)被測信號為頻率100 MHz,、峰值為4 V的鋸齒波信號時(shí)，計(jì)算機(jī)上通過采樣數(shù)據(jù)得到的波形如圖5(a)所示,，系統(tǒng)工作正常,。圖5(b)是當(dāng)被測信號為頻率50 MHz、峰值為5 V的正弦波時(shí),，根據(jù)采集數(shù)據(jù)得到的波形,。
    本系統(tǒng)采用高頻PLL對輸入信號周期進(jìn)行測量，當(dāng)輸入頻率為100 MHz時(shí),測量所得信號周期為10.016 ns。測量周期誤差為0.16%,。此時(shí)采樣頻率應(yīng)為90.777 05 MHz,，PLL實(shí)際輸出的頻率為90.777 00 MHz，PLL輸出頻率誤差為0.000 1%可忽略不計(jì),。等效采樣頻率為984.3 MHz,，總誤差為1.57%。當(dāng)輸入頻率為50 MHz時(shí),，測量所得信號周期為19.984 ns,誤差為0.08%,。此時(shí)采樣頻率應(yīng)為47.655 36 MHz，PLL實(shí)際輸出的頻率為47.655 00 MHz,PLL輸出頻率誤差為0.000 7%可忽略不計(jì),。等效采樣頻率為1 016.1 MHz,，誤差為1.61%。兩次測量所得誤差都較小,，可以接受,。
    本文采用Cyclone III器件內(nèi)置的可重配置PLL輸出采樣時(shí)鐘，很好地解決了等效采樣中順序采樣的控制延時(shí)的難點(diǎn),?；贔PGA以及SoPC的設(shè)計(jì)方式使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明晰，處理性能得到提升,便于升級,。在調(diào)試的過程中,，系統(tǒng)一直穩(wěn)定工作，只要加上一個(gè)顯示器,，就可以當(dāng)作示波器使用,，非常方便采集高頻周期信號。
參考文獻(xiàn)
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