基于CPLD的模數(shù)轉(zhuǎn)換組合研究

       A/D轉(zhuǎn)換組合是雷達(dá)目標(biāo)諸元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵牟考坏┏霈F(xiàn)故障，目標(biāo)信號(hào)將無法傳送到信息處理中心進(jìn)行處理，從而導(dǎo)致雷達(dá)主要功能失效。某設(shè)備的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，可維修性差，故障率高，因此，采用CPLD技術(shù)和器件研究A/D轉(zhuǎn)換組合，改善該設(shè)備的總體性能。

2 A/D轉(zhuǎn)換組合工作原理剖析   

       A/D轉(zhuǎn)換組合作為武器系統(tǒng)的核心部件，接口特性和功能與武器系統(tǒng)的兼容，是新A/D轉(zhuǎn)換組合研制成功的前提，因此，必須對(duì)引進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換組合進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，提取接口特性及其參數(shù)，分析組合功能和性能指標(biāo)。

2.1 組合工作原理及端口信號(hào)說明   

       原A/D轉(zhuǎn)換組合由五個(gè)裝置組成，這五個(gè)裝置形成兩個(gè)完全相同且互相獨(dú)立的通道。每個(gè)通道包括一個(gè)預(yù)處理裝置、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置，如圖1所示：    A/D轉(zhuǎn)換組合與武器系統(tǒng)其它部分的電路連接端口有6個(gè)：端口1為電源端口，X2、X4為相互正交的輸入模擬信號(hào)，X5、X6為輸入脈沖信號(hào)，X3為輸出數(shù)字信號(hào)。

       輸入模擬信號(hào)X2和X4進(jìn)入預(yù)處理裝置，形成便于A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)。此信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置，得到輸出數(shù)字信號(hào)X3。每個(gè)通道將輸入模擬信號(hào)數(shù)字化，在端口X3形成8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)符號(hào)位，符號(hào)位與輸入模擬信號(hào)極性相對(duì)應(yīng)。X3同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)通通及整個(gè)組合的工作自檢。    為保證組合的正常工作，須向同步裝置輸入脈沖信號(hào)X5和X6。X6稱為“計(jì)數(shù)脈沖”，用作A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘。X5稱為“自動(dòng)微調(diào)脈沖”，用于A/D轉(zhuǎn)換精度的微調(diào)和工作狀態(tài)的自檢。同步裝置根據(jù)X5和X6形成若干脈沖，這些脈沖分成完全相同的兩組同時(shí)送給兩個(gè)通道。

2.2結(jié)構(gòu)組成分析   

       (1)同步裝置   

        同步裝置由三個(gè)子模塊組成,形成一個(gè)閉環(huán),如圖2所示。

       模塊1的輸入為X5、X6和來自模塊3的四個(gè)脈沖T1、T2、T3、T4，雖然X5、X6都輸入模塊1，但是只有X6與此閉環(huán)有關(guān)，它們?cè)谀K1內(nèi)經(jīng)過一系列邏輯單元處理，輸出為一系列脈沖，包括詢問脈沖X（X=1，2，3，4）、寄存器詢問脈沖、選擇脈沖、輸出自動(dòng)微調(diào)脈沖和其它脈沖。模塊2的輸入R是矩形波信號(hào)，輸出S類似于三角波。模塊3的主體是四個(gè)電位器和四個(gè)電壓比較器。四個(gè)電位器經(jīng)過精心調(diào)節(jié)在滑動(dòng)端形成四個(gè)等間隔的基準(zhǔn)電壓。四個(gè)電壓比較器將S和這些基準(zhǔn)電壓分別進(jìn)行比較，得到四個(gè)TTL電平脈沖信號(hào)T1、T2、T3、T4。T1、T2、T3、T4和S、R、X6時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

       輸出脈沖與X6的時(shí)序關(guān)系如圖4所示。

       (2)預(yù)處理裝置   

        預(yù)處理裝置包括模擬多路開關(guān)電路、求模電路、取符號(hào)電路和存儲(chǔ)電路，其組成如圖5所示。

       X2（或X4）是雙極性信號(hào)，在被模擬多路開關(guān)電路選通后，通過求模電路變?yōu)檎龢O性信號(hào)，此正極性信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)電路進(jìn)行跟蹤/保持。另外，模擬多路開關(guān)電路的輸出信號(hào)還進(jìn)入取符號(hào)電路，得到符號(hào)位。   

        (3)模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置   

        該裝置包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)微調(diào)電路和自檢電路，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路又由四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成，如圖6所示。

        圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

       SH進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊1，在其內(nèi)部被電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，分壓結(jié)果與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果被編碼，得到模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高兩位D7D6；設(shè)數(shù)字輸出D7×27+D6×26對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)幅度為U1，在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊1內(nèi)部，將SH和U1相減，輸出RM1=SH-U1，RM1進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2，按同樣的方式得到D5D4；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4也完全類似，分別輸出D3D2（第3位和第2位）和D1D0（第1位和第0位）。這樣就得到了模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的8個(gè)數(shù)據(jù)位。

3 A/D轉(zhuǎn)換組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)   

       新A/D轉(zhuǎn)換組合的幾何尺寸應(yīng)與引進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換組合吻合，輸入輸出接口特性應(yīng)與引進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換組合完全一致。鑒于原A/D轉(zhuǎn)換組合采用分立元件和低集成度芯片設(shè)計(jì)，導(dǎo)致電路復(fù)雜，故障率高的缺點(diǎn)，本文采用高集成度的CPLD芯片設(shè)計(jì)國產(chǎn)A/D轉(zhuǎn)換組合。

 3.1總體功能設(shè)計(jì)   

       新A/D轉(zhuǎn)換組合總體設(shè)計(jì)框圖如圖7所示，當(dāng)X5（自動(dòng)微調(diào)脈沖）為低電平時(shí)，地址形成邏輯形成的地址信號(hào)使模擬多路開關(guān)選通來自前端接收系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)X2（或X4）。X2（或X4）經(jīng)過模擬多路開關(guān)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理邏輯變換后，得到與原模數(shù)轉(zhuǎn)換組合碼制相同的10位輸出信號(hào)，即8位數(shù)據(jù)位、1位符號(hào)位和1位奇校驗(yàn)位。這10位信號(hào)經(jīng)寄存器鎖存后，通過驅(qū)動(dòng)電路送至后端計(jì)算系統(tǒng)。   

點(diǎn)擊看原圖

        當(dāng)X5為高電平時(shí)，地址形成邏輯形成的地址信號(hào)使模擬多路開關(guān)選通標(biāo)準(zhǔn)電壓電路提供的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓。標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路形成數(shù)字量，基準(zhǔn)自動(dòng)微調(diào)邏輯根據(jù)此數(shù)字量調(diào)整單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量，零點(diǎn)自動(dòng)微調(diào)邏輯根據(jù)此數(shù)字量調(diào)整雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量。單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出模擬量為模數(shù)轉(zhuǎn)換組合的基準(zhǔn)電壓，雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出模擬量為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的負(fù)模擬輸入端電壓。這樣就實(shí)現(xiàn)了通道1（或通道2）模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的自動(dòng)微調(diào)。   

       自檢檢測(cè)邏輯從寄存器取出對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，并與預(yù)存儲(chǔ)值比較，根據(jù)比較的結(jié)果確定通道1（或2）是否正常工作，并形成相應(yīng)的指示信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)通道1自我檢測(cè)邏輯輸出的指示信號(hào)和通道2自我檢測(cè)邏輯輸出的指示信號(hào)形成“通道1正?！毙盘?hào)、“通道2正?！毙盘?hào)和“轉(zhuǎn)換組合正?！毙盘?hào)，并送給后端計(jì)算系統(tǒng)。

       X5（自動(dòng)微調(diào)脈沖）和X6（計(jì)數(shù)脈沖）分別通過二選一開關(guān)進(jìn)入緩沖及延遲電路，形成一組脈沖信號(hào)送入時(shí)序邏輯。時(shí)序邏輯根據(jù)此組脈沖信號(hào)形成系統(tǒng)正常工作所需的多種脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)處理邏輯、寄存器、地址形成邏輯、基準(zhǔn)自動(dòng)微調(diào)邏輯、零點(diǎn)自動(dòng)微調(diào)邏輯、自我檢測(cè)邏輯、時(shí)序邏輯都在Xilinx公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷C95108內(nèi)實(shí)現(xiàn)（圖7中每個(gè)虛線框代表一片XC95108）。通道1和通道2分別使用一片XC95108。   

       調(diào)試脈沖形成電路輸出X5A和X6A信號(hào)。在國產(chǎn)化模數(shù)轉(zhuǎn)換組合脫離戰(zhàn)車系統(tǒng)進(jìn)行維修時(shí)，通過二選一開關(guān)選通X5A信號(hào)和X6A信號(hào)以替代前端輸入的X5和X6，從而方便了該組合的維修。

3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)   

       模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)國產(chǎn)化A/D轉(zhuǎn)換組合的核心電路，需要精心設(shè)計(jì)。 
首先是A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇，根據(jù)引進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換組合的工作原理，A/D轉(zhuǎn)換芯片需要滿足如下4點(diǎn)要求：   

（1）雙極性輸入；   

（2）分辨率≥9位；   

（3）最大采樣速率≥1.5MSPS；   

（4）無流水延時(shí)，且模數(shù)轉(zhuǎn)換在大約200ns內(nèi)完成。   

       根據(jù)上述要求，同時(shí)考慮價(jià)格及功耗等因素，選擇逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC1412。LTC1412引腳說明見有關(guān)技術(shù)資料。其典型用法如圖8所示。

        電路設(shè)計(jì)中，LTC1412采用雙端輸入方式，即， 端輸入模擬多路開關(guān)送來的模擬信號(hào)， 端輸入雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路送來的微調(diào)信號(hào)。 接數(shù)字地，從而使LTC1412始終處于選通狀態(tài)。LTC1412的基準(zhǔn)電壓可由外部調(diào)節(jié)，變化范圍在1.25V和3V之間，此處使用外部基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓由單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供。 端由緩沖及延遲電路送來的采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。   

       原A/D轉(zhuǎn)換組合對(duì)X2（或X4）的采樣時(shí)刻相對(duì)于X6上升沿滯后約10ns，新設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換組合也與此保持一致。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在輸入時(shí)鐘信號(hào)的下降沿采樣，而此輸入時(shí)鐘信號(hào)的下降沿相對(duì)于X6上升沿正好滯后約10ns。   

       LTC1412的所有正電源端均連接到+5V模擬電源，所有地端均連接到模擬地平面。雖然LTC1412的分辨率為12位，但產(chǎn)品說明給出的評(píng)估板只是兩層板，因此在設(shè)計(jì)PCB版圖時(shí)也只使用兩層板。在PCB版圖上全部使用表貼電容進(jìn)行濾波和去藕，可以在抑制噪聲方面起到重要作用。

4結(jié)束語   

       本文采用CPLD器件設(shè)計(jì)了新的A/D轉(zhuǎn)換組合，替代了原組合，同時(shí)提高了可靠性，改善了轉(zhuǎn)換位數(shù)、功耗等技術(shù)指標(biāo)，已經(jīng)定型并投入生產(chǎn)。

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