具有高阻抗并行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電阻的TLC5510解析方案

1 TLC5510簡介

TLC5510是美國德州儀器(TI)公司的8位半閃速架構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器，采用CMOS工藝，大大減少比較器數(shù)。TLC5510最大可提供20 Ms/s的采樣率，可廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字TV、醫(yī)學(xué)圖像、視頻會(huì)議以及QAM解調(diào)器等領(lǐng)域。TLC5510的工作電源為5 V，功耗為100 mW(典型值)。內(nèi)置采樣保持電路，可簡化外圍電路設(shè)計(jì)。TLC5510具有高阻抗并行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電阻，模擬輸入范圍為0.6 V～2.6 V。

1.1 引腳功能描述

TLC5510采用24引腳的貼片封裝，其引腳配置如圖1所示。各引腳功能描述如下：

AGND：模擬信號(hào)地;

ANGLOG IN：模擬信號(hào)輸入端;

CLK：時(shí)鐘輸入端;

DGND：數(shù)字信號(hào)地;

D1～D8：數(shù)據(jù)輸出端。D1為數(shù)據(jù)低位，D8為數(shù)據(jù)高位;

OE：輸出使能端。OE為低電平時(shí)數(shù)據(jù)端有效，否則數(shù)據(jù)端為高阻態(tài);

VDDA：模擬電路工作電壓;

VDDD：數(shù)字電路工作電壓;

REFTS：內(nèi)部參考電壓。當(dāng)內(nèi)部分壓器輸出額定2 V基準(zhǔn)電壓時(shí)，該端短路至REFT;

REFT：參考電壓(T代表Top為2.6 V);

REFB：參考電壓(B代表Bottom為0.6 V);

REFBS：參考電壓。當(dāng)內(nèi)部分壓器產(chǎn)生2 V的額定基準(zhǔn)電壓時(shí),該端短路至REFB。

1.2 典型應(yīng)用電路

TLC5510的基準(zhǔn)電源有多種接法，根據(jù)不同場合選擇適當(dāng)基準(zhǔn)電源，利用內(nèi)部基準(zhǔn)源，TLC5510典型應(yīng)用電路如圖2所示。由于其測量范圍為0.6 V～2.6 V(即：TLC5510在轉(zhuǎn)換時(shí)模擬輸入0.6 V時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)字輸出00 000 000，2.6 V對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出11111 111)，因此輸入信號(hào)在進(jìn)入TLC5510之前要對(duì)其處理，要使該輸入信號(hào)處于量程內(nèi)，應(yīng)加入一個(gè)1.6 V的直流分量。

2 基于TLC5510的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

2.1 兩級(jí)采樣

TLC5510雖采樣率高，但受干擾嚴(yán)重。基于上述特點(diǎn)，將TLC5510運(yùn)用于寬頻數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)采集。為了提高抗干擾能力，專門設(shè)計(jì)一個(gè)有源晶振模塊為TLC5510提供采樣時(shí)鐘，但導(dǎo)致采樣率不可調(diào)。為了解決這個(gè)問題，采用兩級(jí)采樣。第一級(jí)采樣為控制A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)外圍的電信號(hào)高速采樣，并將其采樣保存到FPGA內(nèi)部寄存器，該級(jí)采樣率恒定不變，并由硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn);第二級(jí)采樣為軟件采樣，即由FPGA采樣控制模塊從寄存器中提取第一級(jí)采集結(jié)果，該級(jí)采樣率是可調(diào)的。

2.2 等效采樣

根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率高于信號(hào)頻率的兩倍就可恢復(fù)原波形。當(dāng)采樣頻率等于或小于信號(hào)頻率可采用等效采樣，在不同周期獲取不同相位的幅值，根據(jù)相位將幅值連續(xù)排列即可復(fù)原波形。

采用內(nèi)觸發(fā)采樣，即由被測信號(hào)的某相位點(diǎn)位為觸發(fā)，然后存儲(chǔ)。其實(shí)現(xiàn)過程：每一個(gè)完整的采樣需采集256個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)采樣點(diǎn)都是由相同電平觸發(fā)，觸發(fā)后啟動(dòng)FPGA內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，對(duì)高頻脈沖記數(shù)，脈沖數(shù)不同，代表相位也不相同。經(jīng)過256個(gè)周期，就可采集256個(gè)不同的相位點(diǎn)。

3 基于FPGA的等效采樣

3.1 實(shí)現(xiàn)方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用延遲法來實(shí)現(xiàn)等效采樣。如圖3所示，設(shè)輸入信號(hào)f(t)的周期為T(頻率為f)，若將f(t)的一個(gè)周期T以△t等分，在時(shí)間t1進(jìn)行第一次取樣，為了采集到下一個(gè)相位點(diǎn)，在時(shí)間t2進(jìn)行第二次采樣，t1～t2可相隔多個(gè)信號(hào)周期。假設(shè)m個(gè)，則相鄰兩個(gè)采樣脈沖的時(shí)間間隔為(mT+△t)。如此類推，以下3個(gè)采樣點(diǎn)則分別在t3，t4，t5時(shí)刻采樣。在每個(gè)觸發(fā)位置延時(shí)N△t(N=0，1，2，3…)后存儲(chǔ)采樣，即可合成一個(gè)完整波形。這種方法控制方便，通過FPGA完成整個(gè)觸發(fā)、延時(shí)、采樣和存儲(chǔ)功能，但對(duì)觸發(fā)電路和延時(shí)電路要求很高。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 整形觸發(fā)電路

由于每一次采樣都要由某一事件觸發(fā)，所以該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用內(nèi)觸發(fā)，即觸發(fā)源為被采樣信號(hào)，并由硬件觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)。該電路可把各種波形的周期信號(hào)整形為與原信號(hào)周期相同的方波信號(hào)。

由于采用等效采樣技術(shù)，其被測信號(hào)頻率較高。假設(shè)被采樣信號(hào)的最高頻率約為10 MHz，則整形器件選用Maxim公司的電壓比較器MAX912。當(dāng)輸入信號(hào)電壓高于預(yù)置的觸發(fā)電平時(shí)，輸出高電平;反之輸出低電平。

3.2.2 采樣保持電路

每次采樣是比觸發(fā)時(shí)刻延遲N△t的數(shù)據(jù)點(diǎn)，但由于被采樣信號(hào)頻率很高，要準(zhǔn)確采樣到該點(diǎn)基本無法實(shí)現(xiàn)。為此需要引入采樣保持電路。

采樣保持電路的功能：在采樣時(shí)刻到來之前，該模塊的輸出電壓隨輸入電壓變化。當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時(shí)刻時(shí)，輸出電壓保持不變。以供TLC5510采樣。

該采樣保持電路由兩片運(yùn)算放大器A1，A2和模擬開關(guān)A3構(gòu)成，采樣時(shí)通過FPGA控制時(shí)鐘使A3的通道S1導(dǎo)通。A1，A2為單位增益的電壓跟隨器，故Uo=Uc=Uo，此時(shí)電容充電至Uc。因電壓跟隨器的輸出電阻很小，故電容快速充電。斷開S1，由于Uc無放電通路，其電壓基本不變，故Uo保持不變，即保存采樣結(jié)果。

3.3 軟件編程控制

等效采樣的軟件控制實(shí)際上是指對(duì)采樣時(shí)刻的控制和對(duì)外同采樣保持電路時(shí)序的控制，該控制可以在FPGA內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)模塊如圖6所示，主要由兩部分組成。其一為數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)，用于產(chǎn)生頻率足夠高的脈沖信號(hào)。由于采樣率與△t有關(guān)，因此將原來FPGA自帶的40 MHz時(shí)鐘信號(hào)送入數(shù)字鎖相環(huán)使之5倍頻，進(jìn)而提高至200 MHz。其二為控制模塊，采用同步開啟異步復(fù)位的編程思想。它有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端：clkce2是被測信號(hào)經(jīng)整形電路后的脈沖信號(hào)，該信號(hào)為同步信號(hào)，也為觸發(fā)源。每次采樣都由該信號(hào)觸發(fā)開始計(jì)數(shù);clk_200是數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生的高頻采樣脈沖，計(jì)數(shù)開始后內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)clk_200計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到m后(即m△t時(shí)間)，計(jì)數(shù)完畢，馬上控制采樣保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)，然后在經(jīng)過若干個(gè)clk_200時(shí)鐘周期后(為了使信號(hào)完全進(jìn)入保持狀態(tài)電平達(dá)到穩(wěn)定)，采樣該數(shù)據(jù)點(diǎn)(每一數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一個(gè)相位的數(shù)據(jù)值)。若每一個(gè)采樣周期需要采樣256個(gè)點(diǎn)，則最大延時(shí)為256△t=256/200=1.28μs，而被測信號(hào)為10 MHz，其周期為0.1μs，所以兩采樣點(diǎn)之間至少要間隔13個(gè)周期。

4 結(jié)束語

采用傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)采樣方法可對(duì)頻率低于1 MHz的信號(hào)進(jìn)行采樣，而對(duì)于頻率較高的信號(hào)，則介紹的基于FPGA的等效采樣技術(shù)，能使得TLC5510對(duì)高頻信號(hào)采樣，TLC5510應(yīng)用更加廣泛。