基于PXIe总线2.4Gsps ADC数据采集系统的关键技术研究及实现

摘要

随着全球半导体工艺技术的提高，高速ADC数据采集系统得以快速发展，广泛应用于科研、医疗、航天等领域。PXIe作为PCIe在仪器方面的扩展，具有高数据吞吐量、低延迟、模块化仪器集成等特点，极大地提升了ADC数据采集系统的传输性能。本文以高速数据采集系统为课题背景，自行设计基于PXIe的2.4GspsADC数据采集系统，针对高采样率ADC应用于PXIe的关键技术进行研究及实现。
　　为了更好地研究高速ADC数据采集系统的关键技术，论文从高速模数转换器原理、高速数据流处理方法和信号完整性问题三方面分析了高速数据采集理论，阐明了高速数据采集硬件设计的关键。基于FPGA实现的采样-缓存-传输基本结构，论文提出合理的硬件设计方案，实现了2.4Gsps采样性能的高速模数转换、2.4GB/s存储带宽的DDR数据缓存以及PXIe数据传输。
　　针对高速ADC时钟驱动、信号调理及电源分配系统设计中的三个关键问题，论文采用射频时钟合成器提供低抖动、低温漂的2.4GHz时钟;利用差分放大器实现前置驱动，降低信号噪声;合理设计基于PXIe总线的电源分配系统，满足各模块的功耗要求，保证硬件电路稳定工作。
　　对于FPGA逻辑设计，论文解决了五个关键技术:全局时钟域划分和处理、ADC高速接口技术、高速ADC数据的缓存与控制、数据流弹性控制技术以及PCIe通信技术。
　　基于LabWindows/CVI平台设计了测试工具，搭建系统测试平台。论文最后给出了电源、时钟及前置驱动器的测试结果，并对2.4Gsps ADC数据采集系统不同工作模式下的功能进行了测试，分析了其性能。测试结果验证了论文关键技术研究的正确性，体现了应用于高速ADC数据采集系统的实际价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外发展现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文结构

第二章 高速数据采集理论分析与研究

2．1 高速模数转换器原理

2．2 高速数据流处理原理

2．3 信号完整性问题分析

第三章 高速数据采集硬件设计

3．1 硬件设计需求及方案

3．2 高速ADC电路模块设计

3．2．1 高速ADC简介

3．2．2 前置驱动器设计

3．2．3 射频时钟设计

3．3 DDR2存储设计

3．4 高速数据接口设计

3．5 电源分配系统设计

3．6 PCB板结构设计

第四章 基于FPGA高速数据采集关键技术

4．1 FPGA顶层结构设计

4．2 全局时钟域划分和处理

4．3 ADC高速接口技术

4．4 高速ADC数据的缓存与控制

4．5 数据流弹性控制技术

4．6 PCIe通信技术

4．7 系统时序约束和分析

第五章 系统性能测试

5．1 上位机设计

5．2 测试平台简介

5．3 硬件测试及分析

5．3．1 电源分配系统

5．3．2 射频时钟

5．3．3 前置驱动器

5．4 系统测试及分析

第六章 总结与展望

参考文献

附录

攻读学位期间科研成果

致谢