基于MAXl01A的1GHz數(shù)字射頻存儲器的設計

1 DRFM數(shù)據(jù)采集模塊的設計

1．1 MAXlOlA的主要特點

ADC芯片是數(shù)據(jù)采集的核心器件，本系統(tǒng)中A／D轉(zhuǎn)換器采用MAXIM公司的MAXlOlA，它的最高采樣速率可達到500 Msps，采樣精度為8 bit。本文采用兩片MAXl01A交替采樣，以使系統(tǒng)達到1 Gsps的采樣速率。MAXlOlA主要特點如下：

◇具有500 MHz轉(zhuǎn)換速率；
◇在250 MHz時的有效位為7．0位；
◇1．2 GHz模擬輸入帶寬；
◇誤差小于±1／2LSB INL；
◇帶50 Ω差分或單端輸入；
◇具有±250 mV的模擬輸入范圍；
◇數(shù)據(jù)通路可雙路鎖存輸出；

1．2 MAXl01A的原理

(1)多位轉(zhuǎn)換

MAXl01A采用并行結(jié)構(gòu)(即閃爍結(jié)構(gòu))進行比普通積分ADC更快的多位轉(zhuǎn)換。典型的n位閃爍結(jié)構(gòu)含有(2n-1)個比較器，其負輸入端均勻的從基準網(wǎng)絡階梯電阻的底部排布到頂部，各占據(jù)一個LSB增量值。MAXl01A是一個單片雙交叉并行量化的芯片，它內(nèi)部具有兩個獨立的8位轉(zhuǎn)換器，n=8時，應有255個比較器。這些轉(zhuǎn)換器將結(jié)果傳送給A、B兩組輸出端，并在輸入時鐘交替負邊沿鎖存它們。

(2)跟蹤／保持

MAXlOlA內(nèi)部自帶的跟蹤／保持放大器提升了獲得有效數(shù)據(jù)位的性能，并允許在高轉(zhuǎn)換速率情況下仍以較高的精度捕捉模擬數(shù)據(jù)。其內(nèi)部Track／Hold電路為MAXIMA提供了兩個重要的功能：一是它的4倍額定增益減少了輸入差動電壓的振幅，對±1．02 V基準源，輸入信號為+250mV；二是提供一個差動的50 Ω輸入，使MAXl01A接口應用極為方便。

(3)數(shù)據(jù)流

MAXlOlA內(nèi)部的跟蹤／保持放大器為ADC提供模擬輸入電壓的采樣。而T／H放大器被同時分為兩部分，分別工作在交替的時鐘負邊沿。輸入時鐘CLK應滿足T／H放大器要求，同時還可回饋給A／D部分。輸出時鐘DCLK用于數(shù)據(jù)定時，是輸入時鐘CLK的2分頻或10分頻。

1．3 MAXlOlA的應用

(1)模擬輸入范圍

雖然正常工作范圍為+250 mV，但對MAXl01A的每個輸入端而言，其對地的輸入范圍實際上為±500 mV，這擴展了包括模擬信號和任何DC共模的電壓的輸入電平。要在差動輸入模式下得到滿量程的數(shù)字輸出，應在AIN+和AIN-之間加+250 mv電壓，也就是說，AIN+=+125 mV，AIN-=-125mV (無直流偏置)。在模擬輸入端之間無電壓差時，會出現(xiàn)中間刻度數(shù)字分驅(qū)動為-250mV，即AIN+=-125 mV，AIN-=+125 mV時，會出現(xiàn)零刻度數(shù)字輸出代碼。

(2)基準

ADC的基準電阻確定了ADC的最低有效位(LSB)的大小和動態(tài)工作范圍。通常，電阻串的底部和頂部都是由內(nèi)部緩沖放大器驅(qū)動的。在ADC的基準輸入端加RC網(wǎng)絡可獲得最佳性能，可將一個33 Ω電阻與驅(qū)動該基準電阻串的緩沖輸出級相聯(lián)，而0．47μF電容必須接在緩沖輸出級的電阻器旁邊。這個電阻與電容的組合必須位于MAXl01A封裝的0．5英寸(1．27 cm)之內(nèi)。任一端接點的噪聲都會直接影響代碼的檢測，并且降低ADC的有效數(shù)據(jù)位指標。

(3)時鐘CLK和DCLK

MAXl01A的所有輸入時鐘和輸出時鐘都是差動的。輸入時鐘CLK和DCLK是MAXl01A的基本定時信號。CLK和DCLK通過內(nèi)部一個50 Ω電阻傳輸線鎖到內(nèi)部電路。只有一對CLK和DCLK輸入端被驅(qū)動，而其他對耦端子通過該50 Ω傳輸線接到-2 V。對簡單電路連接而言，任一對輸入端子都可以用作被驅(qū)動的端子。DCLK和／DCLK是由輸入時鐘產(chǎn)生的輸出時鐘，用于數(shù)據(jù)分組A和B的內(nèi)部輸出定時(A組數(shù)據(jù)在DCLK的上升沿后有效。B組數(shù)據(jù)在下降沿后有效)。在正常模式下，它們是輸入時鐘速度的一半的時鐘信號。MAXl01A可以工作在輸入時鐘高達500 MHz的頻率上。

(4)輸出模式控制(DIVl0)

當MAXl01A的DIVl0腳接地時，它工作于檢測模式。這時輸入時鐘被10分頻，從而將輸出數(shù)據(jù)和時鐘頻率降至1／5，但仍保證輸出時鐘的占空比為50％，而接輸出定相的時鐘保持不變，這樣每5個輸入采樣值中就有4個被丟掉。反之，當DIVlO腳懸空時，它被內(nèi)部電阻拉低，MAX-lolA工作于正常模式。

(5)布線、接地和電源

正常工作時，MAxl01A需要一個+5×(1±0．01) V的正電源和一個-5．2×(1±0．01)V的負電源。用高質(zhì)量的0．1μF和0．01μF的陶瓷電容，將VTT和Vcc電源旁路，并且在盡可能靠近引腳的地方接地。需將所有接地引腳接到地平面，可優(yōu)化抗噪聲性能并提高器件的應用精度。

2 數(shù)據(jù)緩存模塊設計

數(shù)據(jù)緩存器使用Ahera公司的FLEXlOKE系列CPLD。該設計利用FLEXlOKE器件實現(xiàn)高速FIFO，由于作為數(shù)據(jù)緩存的FIF0的輸入輸出時鐘頻率不能相同，所以必須使用雙時鐘FIFO。且該類器件用低電壓供電，大大降低了系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

本文所介紹的系統(tǒng)使用VHDL硬件描述語言來對FLEXlOKE進行編程，編程環(huán)境為MAX+PLUSⅡV9．6扳本。

VHDL編程采用模塊式設計。首先建立4個模塊，即FIF0、MUX、counterl、counter2。其中的FIFO既可以調(diào)用lpm-FIF0(dualClock)來修改其中的一些關鍵參數(shù)以符合要求，也可以手工編寫程序?qū)崿F(xiàn)，這里采用調(diào)用宏模塊的方式。值得注意的是，F(xiàn)IFO的輸入輸出時鐘頻率不同，因此必須采用雙時鐘FIF0。MUX、counterl、counter2是配合FIF0使用的多路復用器和分頻器(計數(shù)器)，均應手工編寫其源程序。幾個子模塊完成以后，要新建一個總的系統(tǒng)模塊(system)來調(diào)用子模塊，以在system模塊中完成系統(tǒng)端口的定義以及各個子模塊之間的邏輯關系描述。這種設計有利于邏輯設計的集成化，從而為后續(xù)的改進提供方便。圖2為編譯通過后的系統(tǒng)仿真波形圖。

3 結(jié)束語

本文以DRFM設計為核心，著重介紹了DRFM的數(shù)據(jù)采集前端的設計思路和方法。在超高速數(shù)據(jù)采集領域，數(shù)百兆乃至1 GHz的采樣速度非但在國內(nèi)，即就在國外也是電路設計的難點。使用基于SRAM的CPLD可以有效避開使用高速FIFO作為緩存器帶來的高功耗、高開銷的影響。數(shù)據(jù)緩存可以在一個片子內(nèi)實現(xiàn)，降低了硬件的復雜度，減小了系統(tǒng)的功耗。更加值得關注的是，這類CPLD具有icr，即在電路可重配置，可以通過對其編程的方法其修改電路功能，這樣就為后續(xù)的系統(tǒng)改進打下了良好的基礎。