基于时间交替的高速采集技术研究与实现

摘要

数据采集系统广泛运用于电子通信设备、测试测量技术及仪器与雷达等电子系统中。随着电子技术、通信技术和计算机技术的高速发展，所测物理量对实时信号处理的速度和精度的要求不断提高，同时也对数据采集设备的速度和精度提出更高的要求。模数转换器ADC(Analog-to-Digital Converter)的采样率和分辨率直接决定了数据采集系统的采样速度和精度。然而，由于集成电路工艺的限制，模数转换器芯片无法保持较高的采样精度的前提下提高采样速度。时间交替TI(Time-interleaved)采样技术的提出成为了解决这一问题最有效可行的方案之一，能够有效突破单片ADC无法同时提高采样率和分辨率的瓶颈。虽然TIADC系统在保持采样精度不变的同时提高了采样速度，由于多片ADC之间的性能差异、采样间隔非均匀等因素带来了包括时间误差、增益误差和偏置误差的通道失配误差。这些误差将会导致对采集到的信号进行重建时产生诸如时域波形失真、引入频谱混叠、降低系统信噪比等问题，从而影响采样信号的精确重构和分析。
　　本文通过分析TIADC系统的原理和数学模型，运用Matlab软件分析通道失配误差的频谱特性，根据分析结果提出误差校正算法。通过设计模拟信号输入模块、时钟产生模块、时间交替采样的模数转换模块、逻辑控制及数据缓存模块实现了12bit、400 Msps高速数据采集系统。该系统将采集到的数据上传到上位机进行分析，并通过误差校正算法对采集到的数据进行误差校正。仿真与测试结果表明系统数据采集功能正常，误差校正算法滤除了由通道失配误差引起的时域波形中的毛刺噪声和频谱中的谐波失真，同时提高了系统动态参数，验证了设计的可行性和算法的有效性。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状及发展趋势

1．3 研究内容及结构

2．时间交替采样理论概况

2．1 采样理论

2．2 信号重建

2．3 时间交替采样原理

2．4 TIADC系统结构

2．5 采集系统的性能参数

2．5．1 静态参数

2．5．2 动态参数

2．6 本章小结

3．TIADC误差分析和校正算法研究

3．1 误差来源分析及影响

3．1．1 通道失配误差来源

3．1．2 通道失配误差的影响

3．2 通道失配误差频谱分析

3．2．1 TIADC数学模型

3．2．2 误差频谱位置分析

3．2．3 误差频谱位置仿真

3．3 通道失配误差模型

3．3．1 偏置误差校正分析

3．3．2 增益误差校正分析

3．3．3 时间误差校正分析

3．4 通道失配误差校正算法

3．4．1 误差校正算法方案

3．4．2 时间误差校正算法

3．5 本章小结

4．高速采集系统设计

4．1 总体方案设计

4．2 模拟信号输入模块

4．2．1 模拟信号的调理和差分转换

4．2．2 模拟信号输入模块电路仿真

4．3 模数转换模块

4．3．1 AD9233芯片介绍

4．3．2 ADC外围电路设计

4．4 高精度时钟产生模块

4．4．1 高精度时钟电路设计

4．4．2 高精度时钟电路仿真

4．5 FPGA控制模块

4．5．1 FPGA配置电路

4．5．2 逻辑总体设计

4．5．3 采样数据的同步

4．5．4 采样数据的接收和缓存

4．6 电源管理模块

4．7 USB接口模块

4．8 基于LabWindows／CVI和Matlab软件设计

4．9 本章小结

5．系统仿真及测试

5．1 仿真与测试方案

5．2 硬件电路仿真与测试

5．2．1 模拟信号输入模块输出测试

5．2．2 高精度时钟电路仿真

5．2．3 数据接收与拼接测试

5．2．4 数据采集功能测试

5．3 误差校正算法测试

5．3．1 误差校正前后对比分析

5．3．2 动态性能测试

5．4 本章小结

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文及研究成果

致谢