数模转换器（通用12篇）
数模转换器 篇1
随着科技的发展,现代雷达系统的功能日趋复杂,对其各部分及系统的调试和检测变得更加困难,外场试验和调试要求系统庞大、设备全、成本高,而且现代雷达的某些功能很难通过外场试验来测试。因此,使用雷达信号模拟器是雷达系统的设计、分析和性能测试过程中最为经济、灵活、不可或缺的手段。
雷达信号模拟器的工作原理是通过模拟的方法产生雷达回波信号,再依照一定的重复频率把数据发送给DA芯片进行数模转换,产生的模拟信号送给雷达信号处理机的数据采集存储板卡进行模数转换和数字下变频处理,然后将数据送给数字信号处理板卡进行成像处理,查看数字信号处理板卡的成像处理结果的效果就可以验证算法是否优化以及待检测雷达系统是否工作正常[1,2]。
1 总体设计和硬件关键技术
模拟器工作时,首先产生回波信号,将信号通过通信接口CPCI总线或USB送给FPGA接收,暂存到FLASH和SDRAM,再按照重频发送数据到DAC,产生的数据就可调试雷达了。模拟器硬件实现如图2所示。
1.1 高速数模转换器
数模转换器是信号产生板的重要组成部分,他的输出是雷达系统调试的来源。随着信号处理的速度和复杂度的增加,系统设计人员需要更高的时钟频率和高质量合成信号的数模转换器,本设计中使用的芯片是AD9736。
AD9736是ADI公司发布的业界首款采样时钟速率达1.2 GS·s-1(每秒千兆次采样)的14 bit数模转换器(DAC)。该器件采用了集成的低压差分信号(LVDS)数字接口技术和CMOS制造工艺,将高速DAC从时域(视频)向频域(通信)应用转换,从而降低了成本和功耗并允许在信号链中集成数字信号处理功能。
AD9736具有以下特点:
(1)高速:其时钟抽样频率高达1.2 GS·s-1,精度是14 bit,这是由于AD9736使用一种双倍数据速率(DDR)方式提供一种快速LVDS输入接口,他能在宽带下提供高转换速率,同时保持低失真和低噪声,简化发送信号链并且能够在Nyquist速率(DAC采样速率的一半)范围内合成高质量中频宽带信号;
(2)工作环境简单:9736工作电压是1.8 V到3.3V,输出电流在10 mA～30 mA范围内可编程,并且可以很容易地配置才成单端或差分输出电路结构;
(3)低功耗:在1.2 GS·s-1的时钟速率下,当内插滤波器旁路时功耗为380 mW,而当内插滤波器时功耗为550 mW;
(4)极佳的动态性能:在1.2 GS·s-1采样速率下,在255 MHz输出频率时互调失真(IMD)为74 dBc,并且在600 MHz输出频率时IMD优于65dBc;无杂散动态范围(SFDR)在300 MHz输出频率时为63 dBc,在600 MHz输出频率时为53 dBc;
(5)优良的噪声性能:合成一个300 MHz输出频率时噪声频谱密度为-158 dBm·Hz-1;
(6)封装技术:采用160引脚网格焊球阵列(BGA)封装以减少寄生效应,提供采用5mm×5mm芯片级封装(CSP),增加了灵活性。
以上这些高速、低功耗等特点使得AD9736非常适用于处理高频和宽频带合成信号,这些应用包括宽带测试和测量仪器、自动测试仪器、雷达、航空用电子设备和宽带通信应用,所以,应用在雷达信号模拟器是十分合适的。
9736有SPI＿Mode和PIN＿Mode两种工作模式,两种模式下控制线复用。本设计采用前者,并使能FIFO和二倍内插,由FPGA控制数据输出,在实际工作中频率可达800 MHz,9736芯片本身的时序比较简单,控制并不复杂,但由于是一个高速模拟器件,所以硬件要求比较高。DA的14对差分数据线和一对工作时钟DATACLK之间走线必须等长,并尽量使其布线在同一信号层上,另外为了保证DA信号质量,要将其放置在模拟区不让数字信号和电源线对他产生干扰。
图4为用FPGA产生简单数据的DA输出仿真结果。
给FPGA输入20 MHz的时钟,用锁相环产生120 MHz的时钟作为DA的工作频率,同时在FP-GA内部产生数据,使其在数据时钟的上升沿和下降沿送入DA进行采样,图4中的14位DAD即为采样后的数据,是2000,0000,3FFF,2000这4个数据的重复,可以看出恢复的波形为正弦波。
其中TRIG为低有效使能信号,CLK20M是FPGA的输入时钟,DACLKO是DA的输出时钟,DATACLK是数据时钟。
1.2 存储介质
存储介质是模拟器不可缺少的部分,本设计中采用的是固态存储芯片FLASH(闪存)和SDRAM(动态随机存储器)。两者都以FPGA(现场可编程门阵列)为控制核心。
在对FLASH的操作中,采用阵列结构,FLASH(K9K8G08U0M)按列分为8组,每组共用控制信号线,各组对应行的8片FLASH共享数据总线,单个芯片位宽为8 bit,则每组FLASH的数据位宽为8×8=64 bit。读取数据时,FLASH直接访问FPGA中的FIFO,即可方便的得到所需数据。理论上K9K8G08U0M写入速度最高可达40 MB·s-1,8片为320 MB·s-1,考虑存储速度要求和进行实时传输的数据速率,FLASH工作在20 MB～40 MB之间就可满足所需要求;同时,针对外部高速数据的输入,引入了多级流水和冗余校验技术,并自动屏蔽了FLASH的坏块,成功实现了用高密度、相对低速的FLASH存储器对高速实时数据的可靠存储。
当环境数据量较小时,可以直接写入8片1Gbit容量8位位宽的SDRAM,SDRAM的控制比较简单,但在PCB上布局布线时有比较复杂:第一考虑走线延迟,数据信号要求在PCB上等长;第二是应注意高速管脚在FPGA中需连到特定BANK并且注意分配均衡;第三是要对控制及地址线连接匹配电阻和特定电压以保证信号的完整性,提高系统的可靠性。存储控制在此不详述。
1.3 通信接口
回波信号通过主机加载时,必须通过一定的通信接口,为了实现高速数据传输,可以采用USB接口或高性能CPCI高速同步总线。
主机通过CPCI标准总线进行数据读取时以9656作为桥接芯片,借助9656,可实现与主机间64 bit,66 MHz的PCI总线,与FPGA间实现32 bit,66 MHz的局部总线协议,64位总线以BlockDMA方式传输,支持518 MB·s-1的峰值速度,实测中通过CPCI接口回放数据的速度为120 MB·s-1;主机也可使用USB口通信,芯片选用的是CY7c68013,符合USB 2.0协议,工作在从方式(Slave FIFOs模式),由FPGA控制芯片的读写,同步传输数据,实测中通过USB回放数据的速度为12 MB·s-1。两种接口具体操作可见文献[3,4]。
2 回波数据的产生
模拟器环境数据产生通常有建立实测数据库,全模拟产生及数字实现3种方法,数字实现中又包括采用DDS专用芯片产生,采用FPGA实现DDS技术产生,采用通用计算机产生及计算机与DSP相结合产生等方法。
为保证雷达信号模拟器的通用性,该信号产生板可以通过以下方式产生模拟器信号[5]。
2.1 建立实测数据库
将实测数据直接由主机发送给存储器,送到DA进行处理,产生模拟信号。该方法根据实测数据的不同可以模拟各种雷达信号,但由于要求实测数据,数据来源有限。
2.2 由通用计算机直接进行数据调度
这时,根据目标、杂波和噪声模型及已知的雷达方程由计算机产生数据存储于计算机内存,PC机提供一个人机界面,用户可以选择参数,然后通过计算机的DMA方式或CPU干预的方式输出到缓冲存储器,并送DA转换器产生模拟信号。这种方式的主要优点就是硬件实现简单,只要有一个缓冲存储器(本设计中是FLASH和SDRAM)即可完成数据调度。此外,这种方法只要改变计算机软件就可以适应不同的雷达体制,因此是一种通用的雷达信号模拟器结构。
2.3 利用FPGA实现直接数字频率合成(DDS)
FPGA实现DDS是将波形信息存储在ROM中,可以通过修改ROM中的波形数据来实现比较灵活的频率和相位要求,另外也可以提高速度和降低成本,更适用于通用信号模拟器。
图7是DDS的基本原理框图,包括频率累加器、相位寄存器、正弦值存储表、数模转换器(DAC)和低通平滑滤波器(LPF)等,其中虚线框内的部分均可由FPGA来完成。
这时输出的信号有频率分辨率高,频谱纯净,相位连续等优点,适于进一步调试雷达系统。
3 应用实例
本设计中雷达信号模拟器具有很好的通用性,下面给出他在某岸基逆合成孔径雷达的信号处理机研制过程中的具体应用实例进行说明。该雷达工作在C波段,有搜索和成像的功能,主要用于对近海舰船目标进行成像和识别。该雷达的信号处理机采用全封闭式的CPCI机箱,由自定义底板、主机卡、电源转换卡、采集存储板卡以及数字信号处理板卡组成。采集存储板卡负责对来自雷达接收机的中频回波信号进行直接中频采样,并由板载的大容量FPGA实现数字下变频、滤波抽取等基本处理,然后将数据发送给数字信号处理板卡并同时存储在板载的FLASH芯片阵列中。数字信号处理板卡作为该信号处理系统的核心,在搜索模式下负责雷达回波的脉冲压缩和积累,在ISAR成像模式下负责ISAR成像的实时处理。
以雷达信号模拟器模拟搜索模式或者ISAR成像模式下一个点目标的回波信号,对采集存储板卡的模数转换、数字下变频和滤波抽取部分进行检验。在具体的实现中,由于都是线性调频信号,首先根据信号的时宽和带宽确定信号的初始相位、初始频率以及频率增量,采用DDS的方法产生所需的基带信号,然后由FPGA先在内部进行数字上变频后得到中频信号的数据,再依照一定的重复频率把数据发送给DA芯片进行数模转换,产生的模拟信号送给数据采集存储板卡进行模数转换、数字下变频和滤波抽取处理,通过查看处理结果就可以验证采集存储板卡是否工作正常,还可以根据实测数据对算法进行了优化。
由于产生的是中频信号,所以只要使用了本雷达信号模拟器中的1路DA,使其工作在800MHz,就产生中频为140 MHz的线性调频信号。
4 结束语
雷达目标回波信号模拟器因其实用性成为一个被广泛研究的课题,不同的雷达用途不同,雷达目标回波的信号形式也不同。文中设计的雷达信号模拟器是比较通用的,已经应用于某岸基ISAR雷达,所选的体系结构基本可以满足系统要求[6]。
摘要：针对雷达设计调试困难的问题，提出一种通用雷达信号模拟器的设计方案，以一个FPGA和两个高速DA芯片为核心，另外配置大容量存储器。目标及环境数据采用DDS方法产生或通过外部接口加载，再经过DAC输出雷达回波信号，供雷达信号处理机调试使用，文中给出了模拟器应用实例。
关键词：雷达信号模拟器,FPGA,DAC,CPCI
参考文献
[1]张澄波．综合孔径雷达原理系统分析与应用[M]．北京：科学出版社，1989．
[2]Mitchell R L.Radar Signal Simulation [M].Massachusetts :ArtechHouse,1976.
[3]Tom Shanley Don Anderson.Pci System Architecture[M]. Fourth Edition.Addison Wesleylongman,Inc,2001.
[4]王国媚，须海江，雷宏．基于FPGA和USB的高速数据传输、记录及显示系统[J]．国外电子元器件，2005 (5)：1-2
[5]丁鹭飞．雷达原理[M]．西安：西安电子科技大学出版社，1990．
[6]蔡林洁．基于SHARC的雷达视频模拟器的设计与实现[D]．北京：北京理工大学，2002．
数模转换器 篇2
我是广西电力职业技术学院发电厂及电力系统专业的一名学生，我很高兴有机会参加2001年的数学建模竞赛并幸运地获得了广西二等奖。首先要感谢的是学校、学院领导及老师对我们队的支持和帮助。特别要感谢施宁清老师、覃州老师、麦宏元老师、陶国飞老师等老师一直以来对我们精心的辅导和鼓励，才有我们队获奖的机会。参加数学建模竞赛是一件很有意义的事情，它不仅能锻炼每个参赛者连续工作的能力、创造性的思维、把各方面的知识综合运用的能力、熟练使有用计算机以及计算机软件的能力，而更重要的是锻炼了参赛者与伙伴合作、共同完成某项工作的能力。
今年的这个暑假是个不平凡的暑假，我们参加2010全国数目竞赛的同学都只有一般的时间，因为还有一半的时间是用来进行培训的。起初参加学校的数学建模选修课，我只是对于数学的爱好，那是的我根本不知道什么是数学建模，更不知道它的魅力何在？我们有一个30多人组成数模之家，其中有几个大家长，那就是我们的指导老师。他们为了我们花了很多功夫和时间。我们培训只有短短的一个月，而要在一个月内让一个初学者变成一个能参加全国比赛的选手，是多么大的挑战啊？老师在图书馆的阅览室为我们上模模培训课，从最数模软件Lingo到Mathematic，再到Spss等，从简单的线性规划到层次分析法，从牛奶配送问题到NBA赛事分析，老师指导我们一步一步走向数模，去零落数模的魅力！
在这次竞赛当中，我们队的三个人我，黄国志，张高做了很好的分工，一个人主要写论文、另一个人主要收集资料还要协助写论文，而我主要在计算机上编程序进行计算。我们队首先选择了题目C，开赛第一天我们就在讨论C题，确定了基本思路，但是到了下午，我们的思路断了，3个人都没了思路然后我开始看题目D，题目D是学生宿舍的分析，这个题很类似于我们培训时老师讲评过的NBA赛事分析题，于是我们想可不可以运用相同或者类似的方法思路去求解D题呢？我们就开始集中全力对D题展开分析进行计算。下午我们已经有了比较清晰的思路去求解D题了，最后在晚上决定悬着D题来做。第二天，我们在网上查阅了很多相关的资料，数据。然后我进行计算机模拟，即根据我得到的数据用数学软件如Matlab把我们要的图形模拟出来，把实际的东西转化为数字来计算，然后我负责编辑图形和输入软件进行求解，而他们两个人负责去讨论并把他
们想到的新思路告诉我，然后开始写论文。写论文是一件很繁琐的事，因此要用的时间也多，这样等到我把一些基本的结果得出来时正好给他们加到论文里面去，在模拟时要用很多时间，而这些时间都是计算机在工作，所以我就利用这段时间去他们写论文，因为论文中要把计算时所用的算法写进去，这必需我来写，恰好时间也正好够用。
数学建模竞赛作为一种科研活动，最重要的团队精神和合作意识。数学建模竞赛过程中的各个环节都需要各队员间的协作配合。竞赛开始要选题，各个队员都有自己的偏好和特长，可能会有不同的选择，但是最终必须选择一题，队员间可以通过讨论，最后由队长确定选题。选定题目后，可能确定的题目并不是自己喜欢做的或擅长的，此时我们不能再有个人看法和不满，我们必须全身心的投入已经选定的题目上，这就是个人服从集体服从大局，我们也做到。竞赛的过程中，可能队员间对问题的理解有所不同，此时我们要虚心的听取其他队员的理解和看法，耐心的把自己的看法讲给自己的队友，最终达成一致的意见。在竞赛后期，有的队可能遇到挫折，有的队员就有可能灰心丧气想放弃比赛，积极性下降，此时队员之间特别是队长要鼓励队友，提高整个队的士气。
其实，在紧张的72小时的时间内完成一篇比较完整的数学论文，其中遇到的困难是难以预料的。三天里，有过争吵，闹过矛盾，但更多的是为了共同的目标而达成共识；有发现新方法的快乐，也有证明方法错误的苦恼。合作的过程中，有各种各样的问题，需要我们团结一致，需要我们有宽阔的胸怀来接受别人的意见，为了一致的目标共同努力，以达到解决问题的目的。
“一份耕耘，一份收获”、“天行健，君子以自强不息”、“百分之九十九的汗水加上百分之一的灵感等于成功”成为我的心得概括。
数模论文写作要点 篇3
数模论文；写作要点
[中图分类号]H15;O141.4[文献标识码]A[文章编号]1009-9646（2011）08-0095-02
一、论文的结构清晰性
由于参赛人数众多，评选老师的工作会很繁重，所以老师花在老师花在每篇论文上的时间肯定不会很多，如果说论文的排版，内容安排不清楚会使评选老师批阅起来相当吃力，第一印象不会好，当然最终你尽管你的论文内容相当的精彩可成绩就很难尽如人意。反之，若你的论文的结构条理非常清楚，让人看了一目了然，老师当然会感觉相当的顺畅，自然印象会非常好，后面尽管你的论文内容不是怎么好。但你们的成绩可能会出乎你们的意料。
二、论文的规范性
论文的书写一定要严格遵循组委会的格式要求，这是最基本的要求，如果这个都做不到，那一切可以免谈了。
三、论文内容方面
数模论文共分：摘要、问题重述、问题分析、模型假设、符号说明、模型建立与求解、模型的优缺点、模型的改进、参考文献、附录这几部分。其中需要特别注意的是摘要、问题重述、问题分析、模型的建立与求解的书写。这几个方面特别重要尤其是摘要更是重中之重！下面便来逐个分析。
1.摘要的书写。摘要是整个文章的缩影，是评阅老师了解论文的唯一直接的窗口，故尤其重要。
第一段一句话说明你建立了哪些模型，解决了什么问题，效果明显时可以说达到什么效果。实在觉得有需要可以在前面来一句在什么条件下要解决什么问题。
第二段回答问题一，熟练的同学尽量不用“针对问题一”这样开头表白，而是在最后恰当地方写哪个结果或方案或结论回答了问题一，这样便于这一段的前后句之间的因果关系表白。首先写分析上的原因，当然如果在分析前有数据的预处理，在此之前可以说明，并提到预处理得到的数据用来做什么用，数据处理时尽量都能用无量纲的数据！然后写建立了什么模型，如果是优化模型，要提到目标函数是什么？多目标时要提到变成单目标时权重的处理是怎么处理的！预测模型的话一定要在之前和之后都要说一下理由！之前是说选这个或这些模型的直观原因或客观原因或其他依据，最后要有统计依据，也就是相关系数，残差等等指标性的值来表达结论。一定要提是用什么软件求解，结论或结果或方案是什么，对多个模型处理同一个问题的，一定要有比较，而且不能只说某一个好，否则让人感觉你为什么还要建另一个一无是处的模型！回答问题二和回答问题一的过程类似，但应该在最前面增加与问题一的联系是什么，也就是问题一的哪些东西在问题二中还可以，但由于什么原因而放弃问题一的模型二选用新的模型！也就是一句话增加每一段之间的关联，使各段落之间不是强行隔开的，而是一个有机的整体。
2.问题重述。问题重述不能简单的照抄原文，至少不能要原题的表格和原题的图以及附件！这三样东西在你文中不能拷贝过来，需要时只要提到原题表，原题图或原题附件就行。重述实际上要表达背景是什么、有哪些已知条件和数据、要解决哪些问题，可以把细枝末节的东西去除。
原题就像电影本身，而重述是你看完“电影”后评记忆的描述（可在问题的重述中加入自己的理解，自己觉得问题本质上是什么问题！）。
3.问题分析。问题分析实质上指的是做题前看完题目后你的所想，你的思路，同一个问题可想到几个思路，你在分析中可说到，并要说明你打算怎样选取、依据什么，用什么方法选取等等。这就是你在看完题目做题前的排兵布阵，大致安排。还有就是问题分析是各问切不可按“问题一……二……三……格式来写，这种写法是非常不合理的！切忌不要将问题分析分成各个问题来分析，在形式上追求各问题之间区分明显，格式上一定不要出现各问分开的格式书写。
4.模型的建立与求解
如果是优化问题一定要把每个单项，每个等式和不等式都用文字性的语句说明。目标函数也要说明，最后也要一个最终的完整模型表达。结果一般是数据性或图表性的一些东西，对结果做一个文字性的描述，让读者明白这些东西说明了什么。
5.内容要求。论文的内容要求要有一定的创新性，创新点是获得好成绩的必备要求。创新点可以从下面两个方面获取：
A.创新点可来源于假设的独特性。当我们的假设中考虑的很全面很周到，和符合实际，而别人没考虑到，这就是我们的创新。
B.做题有事可能你的思维并不比别人高明多少，但是你在别人考虑的基础上优化了更多的时间进一步深入考虑了所研究的问题，则你就比别人高了一个档次，想得更深入，这也可以。
四、总结
数模论文目标就是要培养学生书写的规范性、解决实际问题的能力。因而在评阅老师的眼中，结构清晰性、规范性、摘要完美性是必须保证的。因而要想获得好的成绩，大家一定要严格遵循论文写作的规范要求、力求文章结构清晰思路流畅以及做到摘要的完美无缺。
[1]刘卫国.MATLAB程序设计与应用（第二版）[M].高等教育出版社,2006.7.
[2]谢金星,姜启源,叶俊.数学模型（第三版）[M].高等教育出版社,2006.5.
叶云龙（1988.11—）男，汉族，湖南常德人，中南大学土木工程学院土木工程专业本科在读，研究方向：桥梁工程。
简易通信转换器的设计 篇4
电力系统中许多机柜的成套过程中会使用不同制造厂的智能单元,如控制模块、显示模块、P L C等等,这些单元之间通常需要通过通信端口实现相互间的数据交换。然而由于这些单元或模块通常来自不同的制造厂或者不是同一个系列的产品,通信端口的形式和通信规约不尽相同:端口形式有RS-232、RS-485、RS-422、CAN、I2C等等;通信规约往往也是由每个制造厂自行约定,波特率及通信格式均可能不同。通常制造厂会选用专用的规约转换器插入两个单元之间来实现有数据交换,但有时候遇到通信模式转换,普通规约转换器无能为力。
某电力电源成套厂接到一个订单,指定要求使用国内某厂的高频电源模块和西门子S200系列微型PLC,要求实现两者之间的数据交换。两者通信接口均为R S-485,但是电源模块的通信软件设计采用了51单片机模式3,即11位可变波特率UART多机通信方式,而西门子P L C却无法设置成该工作模式,导致两者之间无法实现通信,市售的规约转换器也没有这方面功能。故利用5 1单片机设计了一个简易转换器实现了通信模式,系统简图见图1。
1 设计原理
首先了解电源模块的通信方式,电源模块内的M C U为M S C 5 1单片机,按多机通信模式中从机的通信方式编制通信软件,工作模式为3,串口控制寄存器S C O N的S M 0和S M 1均置位,并且利用S M 2位控制接收地址信息还是数据信息。当S M 2=1时,模块只接收主机发来的地址帧,对数据帧不予理睬;当S M 2=0时则能接收所有数据。模块的基本通信流程如图2所示。
实际应用通信流程如下:PLC为主机,电源模块为从机,系统中有3个以上电源模块,采用半双工的异步通信方式;P L C主机群发目的地址,模块从机收到地址数据后与设置地址比对,如一致则应答数据给主机告知已准备接收数据,并把S M 2=0准备接收数据,主机收到应答数据后再发送数据组(由数据组前几位确定是控制指令还是查询指令);从机根据控制指令执行功能或修改数据并回应主机执行成功代码,如是查询指令则发送本机的状态数据组给PLC主机,然后从机SM2=1回到待机状态。上述流程就是主机对一个电源模块的一次数据交换过程,在系统运行过程中主机循环与每个模块进行这样的数据通信。
模块波特率固定为2 4 0 0 b p s,P L C的通信设置为“2400,n,8,1”,对应单片机工作模式1。由于2种工作模式下每一帧数据长度不同,如直接连接两者将不能实现正常通信,故本设计的主要目的就是在两者之间插入一个转换电路用来实现模式相互转换,该转换电路可分别与主、从机之间以对应通信模式交换数据。
从上述通信流程可以看出系统的通信方式为半双工模式,串行数据是分时收发的,这就比较容易使用单C P U转换器实现通信模式的转换,在转换器内的数据流向也比较清晰明了。转换器的功能由M S C 5 1单片机的串口和2个控制口线来实现,串口连接到2个RS-485接口芯片并通过口线决定485芯片的收发状态,接口芯片的485通信端分别与主机和从机连接。转化器工作时2个口线的电平始终是相反的,与主机通信时转换器的C P U串口工作在模式1,与从机通信则工作在模式3。
2 电路实现及软件设计
转换器的CPU选用ATEML 89C2051,485接口芯片选用MAXIM的MAX1487,SP813L作为系统看门狗,系统时钟频率11.0592MHz,设计电路见图3。
图3中,JP1与从机通信口连接,JP2接主机串口,JP3为5V电源输入。AT89C2051端口P1.6、P1.7控制与主机通信的收发,P1.4、P1.5为从机通信控制口,P1.3用作看门狗电路U 4的复位控制。
转换器的软件流程如图4所示。流程图中T B8是51单片机通信模式3的第九位数据,从机通过该位来判断是地址还是数据。主机以发送数据串中头2个字节区分地址、数据信息(例如头2个字节是A A 0 5,即表示发送内容是地址,D D 7 7表示数据),中间为固定长度的数据串包含地址信息或指令,最后一个字节为校验码。以下为C51编制的部分重要程序,包括完整的串口控制子程序以及主程序,串口数据处理仅以一个通信流程为例,软件代码及说明如下:
Void Ctr_com(Uchar ctr_byte)//串口控制子程序,由控制字节ctr_byte决定通信数据流向
F_dog();//看门狗复位放在中断里确保通信异常时转换器能可靠复位
Uchar Rec_byte[5];//5位接收数据
……//(省略主从数据判别、数据同步、接收等步骤,仅以下一个转换过程为例)
if(Rec_byte[0]==0xaa&&(Rec_byte[1]==0x05)//接收数据中头2字节为A A 0 5时进行通信转发
3 结语
使用上述电路和软件成功实现2种通信模式的转换。成品电路板仅为8 0 m m×6 0 m m,装入通用防水盒后安装在控制盘柜中,经过近半年的实际运行证明该转换器工作稳定可靠,具有较强的抗干扰能力,完全满足电力操作环境下的通信需求。另外,由于内置单片机系统,本设计完全可以通过重新编写软件用作通信规约转换器,如把常用的主从应答模式通信规约转换为电力系统中常用的C D T规约;也可以作为校验模式转换器使用,如实现8位CRC校验码与16位校验码相互转换、和校验与C R C校验转换等等。电路简洁、低成本、高可靠性、较好的应用灵活性是本设计的特点。
参考文献
[1]孙涵芳,徐爱卿.MCS-51系列单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1988
数模心得 篇5
1.同华中科技大学共同完成了与武汉大学高修成老师的交涉，取得武汉工业与应用协会的支持；
2.积极与本校教务处、团委办公室联系，取得了本校相关部门的大力支持；
3.搜索了部分兄弟院校的联系方式；
4.本校积极宣传华中数模赛事；
5.积极组织本校学生参加此次华中联赛；
本次赛事，我校的开销主要在于会议来回的路费，赛前的海报宣传费用等共160元。448098400
问题一.“我现在该如何准备数学建模”
1.先把自己的专业课学好，这才是最重要的，到时候你会发现本专业知识的理解对建模过程中遇到的难题也是有帮助的，因为知识永远是相同的；
2.准备数学建模有所侧重点，但建模、编程、写论文都做的不错才是最好的.2.1如果侧重建模：先把基础（这时不一定会做题，或看人家的比赛论文也不一定看得懂，这很正常）打好，具体可以看看姜启源的那本书（旧书摊上都有买的，或许你会发现感觉对真正做题是没什么帮助），这本书是让你打基础，知道数学建模有那些工具，但在今天数学建模的发展趋势是这本书上几乎没有什么可以借用的，这书只是让你找感觉，培养数学解题的一种思想，等你把这本书看了个大概，就可以进入下一步了；
2.2当你把书看的差不多了，就可以看看人家的比赛论文了，看论文时先阶段主要看这些：（1）写数学表达式的形式（因为有的学生写数学模型时非常丑，而有的人却很地道，这是很重要的，简练、易懂的模型有利用于编程）；（2）看解决某类问题的时候人家用了什么方法（这些方法你在论文中几乎是看不懂的，但只要你知道了，接受了就好，这时去看看主要介绍这方法的相关文章就可以了，因为往往相关的文章会介绍很清楚，“中国期刊网”是个不错的选择，如果不知道怎么用，可以问问学长。），比如在预测数据时，一般人用差分方程、微分方程、曲线拟和、灰色GM模型，但现在比较流行的有神经网络、支持向量机等智能算法（这时不知道怎么回事没关系，但心里一定要知道有这么个东西，暑假时好好查查相关文献，当然这个过程比较痛苦，但过后会发现很爽，特别是有些东西你知道但别人却不知道，哈哈哈）；（3）人家文章的大体结构，因为这反映了作者做题的一个思路，这时非常重要的，在比赛过程中，千万不要着急，一定要大脑清楚，思路不能乱，并且在做题过程中，最好将思路写在一张白纸，已不至于思维混乱；
3.当你看了很多东西，又花了很多时间，那么你就是高手了。总的来说就是要多看、多想、多借鉴、多花时间，所以暑假的培训就显得非常重要.如果你想写论文，感觉没什么前途，建模做的好写论文都非常棒，因为论文就是作者思维过程的再现，如果比赛时间来得及，如果是我，我宁愿一个人干三个人的活，我国赛只干了建模和编程两件事，写论文实在没时间，最后得奖有些运气成分，哈哈哈，见丑了哈！
如果你编程：1.如果你已经能编写出好的C、C＋＋程序，那么顺带着弄下MATLAB，因为你既然能把C语言搞定，那么M语言就是小意思了；2.如果你只是有点编程基础，那么把MATLAB和LINGO（计算优化问题的专用软件）学好就可以了，反正这类计算机的书都有
些贵，LINGO买清华大学出版社，谢金星编的《优化建模与LINDO/ LINGO软件》就可以了，看看里面的大部分内容你就是高手了（开始看看语法，然后照着里面的程序敲代码就可以了，最好把书后的习题自己建模后再用程序实现），我那时只用了2个星期就基本可以应付比赛了，不过现在已经忘得差不多了；
MATLAB的书太多了，我真不知道该怎么说，如果比较适合我们的，就是MATLAB宝典吧，但是比较贵，我用的是张志涌《精通MATLAB6.5》，越用感觉越不爽，虽然这本书很后内容很多，我现在主要在攻MATLAB，发现这本书太垃圾了，不过作为初学者还是比较不错，当然首推“宝典”，因为这里面有很多我们用的着的小技巧，“精通”里面就没有了；MATLAB的功能超级强大，toolbox里面的东西太多，你以后自然会知道的。
这些软件在网上遍地飞，随便下就可以了，只是最好不要过于随便不小心被病毒亲吻了你的计算机。
至于那些数学建模得奖的那些同学能力怎么样，到时候你就会明白的，我不好说。我只是知道好多人不知道支持向量机是啥东西，哈哈哈哈，其实我也是菜鸟。
牢记：暑假培训一定要善于表现，在讨论时多发言，即使说得很糟糕，或者说连自己也不知道在说什么，也要厚着脸皮说，因为老师只看谁话多，而不是谁最勤奋，老师选人的标准一般就是选那些喜欢表现的自己，在当今社会这固然不是什么坏事。但科技比赛不是什么说唱音乐会，所以选了些不该选的人，送走了不该送的人，所以每年会有人感到很郁闷，有什么办法呢？老师数学建模就不匝地，比赛时一定要自己多思考，别老想着老师会帮你什么，如果老师真能帮什么，为什么前几年很多队有老师拼死地做结果什么也没有，记住：什么都得靠自己。我们国家比赛是没有老师的。结果还混了一个国家奖，美赛我们的全球能量守恒被老师枪毙，结果证明我们还是对的，如果美赛没老师说我们这错那错，或许结果会一样，这些比赛事项以前那个报送清华的学长郑亮和我说过，但最后还是没有坚持，唉！你们自己好好把握吧！
祝你们好运吧！
余隆 做不同文化间的“转换器” 篇6
采访当天，余隆刚下飞机，身上西装果然略为绷紧，反应力和语速却胜过在场年轻人。这位被称为“中国最忙”的指挥家，日程早已排到2016年。由他参与创办的北京国际音乐节（BMF）走过17载，在这个平台上，他是立规矩的人。但他也从来不吝于挑战和“破坏”规则。
有迷评价，“从德国学成回来，身上既有西方的东西，又通中国的人情世故。余隆的成功是两者很好的结合。”而他自己，则将他和同事的工作称为不同文化间的“转换器”。
《尼伯龙根的指环》
退回到1998年，今天发福的音乐家余隆还是个清俊青年。在中国人对于音乐节懵里懵懂的年头，留学德国回来的他自掏腰包，和 “小伙伴”曾伟一道启动了第一届BMF。他曾自嘲，“以前只有有钱人家的少爷才干这种事，书不念了唱戏去。随性，随性就有很多创造力。”
资深古典乐迷、撰稿人赋格告诉记者，尽管和国外音乐节仍有距离，BMF已可算是乐迷们难得的福利。“首先它的票价很亲民（绝大部分门票在50元至180元之间），又有优秀的音乐家和演出团体，在曲目的选择上也突破了国内常见曲目的限制。”
17年里，千名中外音乐家演出马勒的《第八交响曲》，歌剧《塞魅丽》、郭文景《狂人日记》首演，都是余隆至今感怀的画面。“最难忘的？还是2005年《尼伯龙根的指环》四联剧的首演吧。开幕头天，第一场奥迪sponsor。那天注定是一个特殊的日子，它翻过了历史性的一页，《尼伯龙根的指环》终于在中国落地了。”有人说，到了演出《指环》的时候，已经在乐迷中形成了这样一个模式：看歌剧、特别是看新剧目要到北京国际音乐节。
时空对话
第二届BMF，余隆专程飞赴纽约，邀请小提琴大师斯特恩重访北京，与李德伦成就“世纪绝唱”。香港乐评人周凡夫写道：“余隆会将音乐节的节目和生活紧扣，和历史紧扣。他生性便有很好的政治触觉，为此，他会重续斯特恩的访华之缘;会有柏林爱乐乐团重温二十六载旧梦，甚至第九届演出歌剧《茶花女》亦要和50年前在北京首演《茶花女》拉上关系。”
余隆会生出把《牡丹亭》和《奥菲欧》放在同时间演出的奇想。“汤显祖和威尔第是同一时代的剧作家。那个时代，全世界只有意大利和中国把唱、戏剧和音乐融合在一起，我们叫昆曲，他们叫歌剧。两者很相像，内容都和爱情主题有关系，又都是一种非常早期的音乐表现形式。把它们放在一起，大家看到了那个时代东西方文化的特别之处。”
他请过周立波在中山音乐堂做交响乐的“普及”主持;曾让谭盾指挥约翰·凯奇最实验的作品《4分33秒》 ;还破天荒地把古典音乐搬到三里屯商区。维也纳歌剧院艺术总监多米尼克·梅耶评价，“这样的事，总要有人去做，你们不去做，谁去做呢？”这些颇受争议的“余隆做派”，某种程度上和支持爵士乐的奥迪如出一辙：后者认为，Jazz是一种基于乐手互动以及个性的艺术形式，需要创新和进取的精神，正如该品牌所追求的价值一样。
“没靠私人关系”
能邀请来那么多优秀的外国音乐家，多少得靠自己广结的人脉吧？余隆断然否定：“我原来就没靠私人关系，经纪公司管他相应的艺术家，都是通过正常渠道。我们是中国这个行业走向职业化的创始机构。按国际标准制式走合同，谈行为的演出方式，就从这个音乐节开始。”
2008年BMF请来了德意志歌剧院上演《唐豪瑟》和《玫瑰骑士》。谈判从那之前两年便开始，细化到舞台、演员以及所有技术性的方面，包括集装箱的运输，舞台尺寸的设定，工作环境等等。“这有点像组装一个大的机械东西，精密仪器中间那螺丝钉掉了也不行。”
经营BMF的是艺术基金会，里面多是懂外文的年轻人，了解国际艺术市场，具有营销知识和经营能力，这些，恰恰是当时的艺术家和文艺院团最不擅长的。“你110V电和220V电在一块的时候，就必须要加一个兼容器才能过去，我们这样的专业人士，可能就是转换器，给他转换过来这样。”余隆说。
刚启动时，国内企业没有赞助这类艺术活动的习惯，谈判很费周折。余隆说，很高兴遇到了视听觉如信仰的奥迪。从2005年支持BMF开始，两者已有10年之谊，《玫瑰骑士》在中国的首演也由该品牌支持。“奥迪传达的一些文化特质和我的追求比较接近;奥迪这个名字本身就是‘听’的意思，跟音乐有着无限的关系，它自己也在做‘奥迪音乐季’等一系列的活动。奥迪能够连续十年支持音乐节是我很高兴的一件事情，因为赞助不仅仅是钱的问题，更多的是一种文化的认同和共同的创造。人生当中能够有这样的结合不容易。”说这话的余隆，神情严肃。
乐界“巴顿”
2000年成立中国爱乐乐团，初创时的“挖角”事件让余隆处于风口浪尖，也从侧面反映出一个新锐乐团的号召力。
此事风波数年后终于平息。但爱乐掀起的风暴不止于此：所有演奏员公开试演，实施“军事化管理”。创团5年，他带领乐团举行了由奥迪支持的中国爱乐世界巡演，接着爱乐在梵蒂冈举办专场音乐会，被媒体称为“把中国文化带向世界的轰动事件”。2009年，中国爱乐获选英国《留声机》杂志评出的“世界十大最具感染力的乐团”，他至今认为那是最好的证明和肯定。
余隆上任上交艺术总监后，团员中“海归”增加到二三十个。他尽可能让团员接触不同风格和类别的产品，比如“演过全套马勒，贝多芬第一至第九交响曲也都走过一遍”。团员张欣介绍，上交有一个玻璃箱子，迟到的乐手须自动缴罚一两百元，余隆也不得例外。此前因原版谱涉及版权，价格高企，团员只能用手抄乐谱。在余隆过问后，谱务问题也解决了。
这类“细枝末节”的问题，恰恰是余隆最为关心的。他抱怨BMF的海报没处贴，直指售票系统的落后。“大剧院，不能买到中山乐团的票吧？住在石景山的人要来保利购票的话，多辛苦？很多观众是不上网的啊。售票互相之间的不兼容，里面问题很多。”
10年前《十面埋伏》工体首映礼上，主唱凯瑟琳·巴特尔迟到，观众齐“嘘”。余隆以扔掉指挥棒发泄不满。你以为岁月把他打磨得圆融些了。可此次采访时，听到“中国有一流乐手，没有一流乐团”的坊间评语，他突然激动起来：“中国爱乐是非常一流的乐团。这辈子有幸跟中国爱乐在一起，是特别荣幸的事情，这批音乐家也就出生在这个时代了，不会再有了。拿十个中国足球队跟我换，我都不换。”
650nm光电转换器设计 篇7
650nm光电转换器用于把仍在使用现有各种规格以太网卡的计算机连接到650nm塑料光纤传输系统, 并通过光网获得很高的信息传送速率, 能使650nm塑料光纤传输系统与公用信息网有效互通, 进行全程全网的光通信。650nm光电转换器作为650nm塑料光纤传输系统中的一个组成部件, 由塑料光纤构建的650nm塑料光纤传输系统组成 (见图1) 。
二、工作原理
(一) 650nm光电转换器组成框图 (见图2)
(二) 650nm光电转换器工作原理
650nm光电转换器的组成框图如图2所示, 包括:DM9331A介质转换芯片、光纤收发模块TODX2402、RJ-45电接口模块ST88515、供电模块、晶振电路等。DM9331A是一个低功耗、高性能的CMOS芯片, 它具有符合IEEE802.3u标准的全部物理层功能, 主要包括物理编码子层 (PCS) , 适用用于光纤模块的PECL兼容接口, 能够自动选择全双工/半双工工作模式等, 实现不同波长光信号到650nm光信号的转换, 既可以提供与双绞线 (五类线) 线缆在100Base-TX快速以太网的直接接口, 也可以通过PECL接口连接外部的光纤收发器。
第一, 通过OP2、OP1、OP0端设置DM9331A的初始工作模式。当设置成010时, 系统就工作在可人工选择的“100FX全双工”模式下;当设置成001时, 系统就工作在可人工选择的“100FX半双工”模式下;本转换电路中, 芯片被设置成“100FX全双工”模式。第二, 通过MCI (介质控制接口) 实现数据的双向流动。芯片在50MHz晶体振荡器的同步协调下进行收、发数据 (RXD、TXD) , 且在TXEN有效期间每个时钟周期收/发2bits数据信息。两个芯片之间同样也是一次传输2bits数据。第三, 其中一个DM9331A的TXEN来自于另一个DM9331A的RXDV信号端, 介质控制接口正在传递的物理介质上的数据状态。第四, 对介质独立接口寄存器 (Me-dia Independent Interface Register) 组写入预设的各种状态 (0或1) , 对波长转换器系统的复位方式、近端环回测试、传输速度、自动协商使能、重启自动协商、全双工等各种参数做出具体的设置, 对于没有特殊要求的bit位, 一般可以采用缺省值。第五, 两片DM9331A在数据通信的过程中, 还会将实时的系统工作状态 (单/双工、数据传输、介质连接、出错等) 送到显示驱动电路中, 最后通过LED加以直观显示。
三、650nm光电转换器各部分功能
(一) 介质转换芯片DM9331A
介质转换芯片DM9331A是一个低功耗、高性能的CMOS芯片, 它具有符合IEEE802.3u标准的全部物理层功能, 主要包括物理编码子层 (PCS) , 适用用于光纤模块的PECL兼容接口, 能够自动选择全双工/半双工工作模式等, 实现不同波长光信号到650nm光信号的转换, 既可以提供与双绞线 (五类线) 线缆在100Base-TX快速以太网的直接接口, 也可以通过PECL接口连接外部的光纤收发器。
(二) 光纤收发接口电路
以TOSHIBA公司的光纤收发模块TODX2402为主组成, 构成交换机物理层上的8个数据输入/输出通道, 将双向数据连接到介质转换芯片DM9331的RX+/FXRD+、RX-/FXRD、TX+/FXTD+、TX-/FXTD-等4个I/O脚, 在FXSD1信号的控制下独立实现光信号的收发交换。当光交换芯片的光信号检测引脚FXSD18的电压值大于0.6V时, 该端口工作在100BaseFX模式, 且当0.6V
四、结论
本文所设计的650nm光电转换器可以将现有各种规格以太网卡的计算机连接到650nm塑料光纤传输系统, 并通过光网获得很高的信息传送速率。
参考文献
[1]、缪立山, 乔桂兰, 缪德俊, 徐蓉艳.650nm塑料光纤传输系统的光电转换器专利[Z].CN1790953, 2006.
利用电容-数字转换器检测液位 篇8
电容是物体存储电荷的能力。电容C定义如下:
其中, Q是电容上的电荷, V是电容上的电压。
在图1所示电容中, 两个面积为A的平行金属板间距为d。电容C为:
其中:
●C是电容, 单位为F
●A是两块板的重叠面积, A=a×b;
●d是两块板之间的距离;
●εR是相对介电常数;
●εO是自由空间的介电常数 (εO≈8.854×10-12F m-1) 。
2 电容数字转换器 (CDC)
单通道AD7745和双通道AD7746均为高分辨率Σ-Δ型电容-数字转换器, 可测量直接连接输入端的电容。这些器件具有高分辨率 (21位有效分辨率和24位无失码) 、高线性度 (±0.01%) 和高精度 (出厂校准至±4f F) , 非常适合检测液位、位置、压力和其他物理参数。
这些器件具有完整的功能, 电容输入端集成多路复用器、激励源、用于电容DAC, 温度传感器、基准电压源、时钟发生器、控制和校准逻辑、I2C兼容型串行接口以及高精度转换器内核, 该内核集成二阶Σ-Δ型电荷平衡调制器和三阶数字滤波器。转换器用作电容输入的CDC和电压输入的ADC。
所测电容C x连接在激励源和Σ-Δ型调制器输入端之间。转换期间在Cx上施加方波激励信号。调制器会不间断地对流过Cx的电荷进行采样, 并将其转换为0和1的流。调制器输出1的密度经数字滤波器处理, 确定电容值。滤波器输出通过校准系数缩放调节。然后, 外部主机便可通过串行接口读取最终值。
图2中的四个配置显示了单端、差分、接地和浮动式传感器应用中CDC如何检测电容。
3 电容式液位检测技术
一种简单的液位监控技术是将平行板电容器浸入液体中, 如图3所示。随着液位变化, 板之间的电介质材料数量发生改变, 导致电容也随之改变。同时第二对电容传感器 (图中为C2) 用作基准。
由于εR (水) >>εR (空气) , 传感器电容可由浸没部分的电容近似表示。因此, 液位为C1/C2:
其中:
●Level是浸入液体的长度;
●Ref是基准传感器的长度。
4 电容式液位检测系统硬件
2 4位AD7746具有两条电容测量通道, 非常适合液位检测应用。图4显示了系统功能框图。传感器和基准电容信号转换为数字信号, 数据通过I2C端口传输至主机PC或微控制器。
要实现精确测量, PCB设计很关键。图5显示了传感器板和CDC连接。为了保证精度, AD7746安装在4层PCB表面尽可能靠近传感器的地方。接地层暴露在PCB背面。该应用使用了转换器全部的两个输入通道。传感器板如图6所示。
传感器板设计为在一块PCB上的两个共面金属板, 而非两个平行板。共面极板在4层PCB内无需直接接触液体。共面极板电容的电介质由PCB材料、空气和液体组成, 轨道每一单位长度的电容值约为:
其中:
●d是两个平行轨道中点之间的距离;
●l是轨道长度;
●w是每一条轨道的宽度 (假定宽度相等) ;
●t是轨道的厚度;
●有效εR由d与h的比值决定 (h是PCB板的厚度) ;
●若d/h>>1, 则εR (e) ≈1;
●若d/h≈1, 则εR (e f f) = (1+εR) /2。
就该等式而言, 测得的电容值与浸入液体的长度成比例, 而共面传感器每一单位轨道长度的电容近似值不变。使用Lab VIEW®软件执行系统校准有助于实现更高的精度。
5 Lab VIEW软件
P C上运行的L ab VIE W程序通过I2C串行接口获取CD C数据。图7是PC监视器上显示的图形用户界面 (GUI) 。启动液面演示系统后, 会实时显示液面数据、环境温度和电源电压。
液面推导公式为:
Lab VIEW程序包括基本校准和高级校准, 可实现更精确的测量。在浸入液体时进行干 (基本) 校准用来确定C1DRY和C2DRY。湿 (高级) 校准则用来确定一阶方程中增益和失调两个未知量, 通过在液位0英寸和4英寸先后进行校准测量可以得到两个方程联立推导出增益和失调。湿校准和测量过程中, 基准电容必须完全浸入液体中。
6 结论
本文介绍了电容式液位检测演示系统。
摘要：输液和输血等程序要求监控液体的确切数量, 因此这些应用需要采用精确、易于实施的方法来实现液位的检测。本文描述24位电容-数字转换器和液位检测技术, 可通过测量电容对液位进行高性能检测。
关键词：电容-数字转换器
参考文献
[1]AD7746评估套件
[2]AD7746评估板技术文档
[3]Ning Jia, 医疗保健应用中的ADI电容数字转换器技术[J]。模拟对话, 2012 (46) .2
[4]Jim Scarlett, 电容数字转换器为诊断系统中的电平检测提供方便[J]。模拟对话, 2014 (48) .2
ADC模数转换器有效位计算 篇9
关键词：ADC模数转换器,噪声测试法,信噪比测试法
随着ADC模数转换器在软件无线电中的广泛应用,ADC模数转换器的性能参数也变得越来越重要。评价ADC模数转换器的性能指标主要有A/D转换位数,无杂散动态范围(SFDR)、信噪比(SNR)、转换速率和量化灵敏度等。一般来说,ADC的转换位数越多,其动态范围就越高[1]。但由于ADC本身的量化噪声,以及由它的微分非线性和积分非线性误差带来的噪声和谐波、采样时钟抖动引入的噪声、系统的热噪声、印刷电路板内信号之间串扰带来的噪声等,ADC的实际转换位数与理想的转换位数有差别。因此确定ADC的实际有效位对精确评价系统性能就显的非常重要。文中ADC模数转换器采用的是美国AD公司的AD6645。它是一种高速、高性能的单片14位的模数转换器[2]。
1 有效位测试方法
1.1 噪声测试法
为AD6645的时钟输入端输入系统的采样时钟,然后将数据输入端置空,对噪声进行模数变换,采集模数变换后的相关数据,然后计算其有效位,计算方法如下:
(1) 采集到的数据个数为N,数据为xi;
(2) 计算其均值,计算公式为
(3) 将各点数据减去均值后求均方差
(4) ADC的有效位ENOB(Effective Numbers Of Bits)为
ENOB=14-(log2σ+1) (3)
1.2 信噪比测试法
为AD6645时钟输入端输入系统采样时钟,AD6645的信号输入端输入实际工作信号的载频正弦波,采集模数转换后的相关数据,计算其信噪比,根据有效位数与信噪比的线性关系,可以得到在此载频下ADC的实际有效位数。
有效位数与信噪比的关系如式(4)所示
其中,SNR为信噪比。
AD6645信号输入端的实际输入信号为
X(t)=S(t)+N(t) (5)
其中,S(t)为有效信号,设其功率为Sin;N(t)为噪声。噪声主要来自信号源输入噪声和系统噪声两个方面。
信号源不可能输出理想的正弦波,它包含一定噪声和谐波分量,将谐波功率和噪声功率之和记为Nin。
采样位数为N的ADC 的量化噪声序列q(n),是一个在
NADC是ADC 系统固有的,使ADC的动态性能恶化,在测量结果中应该得以反映。而Nin则是由测试设备带来的,故在测试过程中要去掉Nin的影响。
通常信号源性能是由信噪比SNR这一指标来衡量的,并且信号幅度在相当大的输出范围内变化时SNR基本保持不变。也就是说,当输出信号幅度衰减了1/m时,噪声功率和高次谐波功率都将衰减1/m2。而NADC是ADC系统固有的,不会随输入信号幅度的改变而改变。因此当信号幅度衰减了1/m时,测量得到的信噪比可表示为
除去Nin对ADC系统的影响,可得到反映ADC系统的真实信噪比
改变m的值,可以得到不同的测量的结果。假设取m值为m1,m2,对应的测量结果记为SNR1,SNR2,故可得
将计算得到的SNRADC带入式(4),就可以得到精确的ADC有效位数。
2 仿真与分析
如果采样频率不是输入信号的整数倍,时域上会产生截断效应,因而带来截断噪声。此时可以通过加窗来弥补能量泄露带来的信噪比损失[4]。设输入信号幅度为1 Vpp(峰峰值),频率30 MHz,无噪声,ADC采样时钟为40 MHz,量化位数为14 bit,采用Blackman窗函数进行加窗,对加窗和不加窗这两种情况进行仿真,可以得到其功率谱,如图1所示。
由图1可知,加窗可以有效地弥补截断效应带来的能量损失,但加窗后频谱会有所展宽,所以计算信号功率时,应将最大峰值点附近的谱峰值考虑进去。
ADC模数转换器采用AD6645,采样时钟为40 MHz,量化位数为14 bit,在此基础上对以上两种测试方法进行仿真。
(1) 信号输入端置空,对采集后的数据进行计算,按照噪声测试法可以得到其有效位数为13.1;
(2) 信号输入端输入30 MHz的信号,信号幅度为800 mV,采集并分析其数据,可得为16.787 7,由式(4)可得ENOB1为2.496 3;信号输入端输入信号不变,信号幅度为31.6 mV,采集并分析其数据,可得SNR2为16.779 4,根据式(4)可得ENOB2为2.4949。根据式(8)可得SNRADC为73.9,实际有效位数ENOBADC为11.98。
在采用信噪比法计算ADC的有效位时,m1,m2的值过于接近,由于噪声的随机性,会造成测量结果的不准确。假设m1较大时,当m1与m2的值>25时,则能避免噪声的随机性带来的影响。同时,可以通过多次采集数据,计算其有效位,最后取其均值作为实际的有效位,这样能减少偶然误差。
查阅AD6645数据手册,可知输入信号频率在30 MHz附近时,信噪比为74.5 dB左右,计算得到有效位数为12.1。在实际的电路板上,由于高频信号的串扰,使噪声增加,实际的有效位数应该会进一步降低。相比噪声法,信噪比法更为准确。
由以上的分析讨论可知,噪声测试法计算简单方便,但计算结果与实际值误差较大,可用于粗略计算模数转换系统的有效转换位数;信噪比测试法计算复杂,但计算结果较为精确,可以作为系统性能评估的依据。
3 结束语
计算ADC工作时的实际有效位,为系统性能的评估提供了可靠性保证,是系统可靠性设计的前提。文中讨论了噪声测试法和信噪比测试法,这两种方法各有其使用范围,可以根据具体要求来选择。同时,为了进一步提高ADC的有效位数,就要求在AD6645的原理图设计及PCB布局时,根据信号完整性的要求,尽量减少其他数字电路、信号串扰等对其的影响,减少系统噪声,提高其转换精度。
参考文献
[1]林相波,姚远程,赵裕民.AD6645在软件无线电中的应用[J].微处理机,2003,27(1):94-96.
[2]Analog Devices.AD664514-bit,80/105MSPS A/D Converter Data Sheet[Z].USA:Analog Devices,2001.
[3]张群英,杨学贤,何佩坤,等.A/D量化误差对脉冲压缩结果的影响[J].现代雷达,2000,22(2):63-68.
转换器性能的影响因素研究 篇10
1 信号处理部分的影响
超声波流量计使用的信号处理技术可以分为时域处理和频域处理两大类,时域处理主要是各种过零检测技术,而频域处理主要是基于相关运算。过零检测技术在液体超声波流量计的设计中已有非常成熟的应用,因此,在后来发展的气体超声流量的测量设计中也沿用了这一技术,并且在应用中有很多改进,过零检测技术是超声脉冲波形定位的基本方法。在实现手段上,过零技术从最初的模拟器件实现转向采用数字信号处理技术。在实际操作过程中,过零检测一般需要和信号的阈值法配合使用,当信号达到阈值之后,才启动过零检测定位波形,以避免受到噪声的影响。因此,脉冲定位信号和信噪比必须符合一定的要求。图1为脉冲定位波形和阈值波形。
在实际应用中客观存在各种不确定性因素,并没有非常理想的波形可以用于分析和定位脉冲波形。几乎在所有超声检测相关领域,都存在信号处理的问题,主要问题都是提高信噪比,提高系统的抗干扰能力和可靠性。
电子元件的质量和长期工作的稳定性,同样对于转换器的质量起着重要作用。选择电子元件时,应选择有质量保证、有资质的正规生产厂家,电子元件的温度系数要根据具体要求,尽量选择工作温度范围宽、温度系数小的元件。
2 换能器的影响
换能器是转换器的信号来源,它的好坏直接影响到转换器性能的优劣。对于换能器,首先检查其各项性能是否符合有关技术要求,换能器的工作频率、绝缘性能等,尤其是换能器的输出信号是否稳定,波形是否符合要求,波形前后是否有干扰,换能器余震的大小,信噪比是否满足要求。同时根据换能器的测试数据对换能器进行筛选分级,按照参数一致原则进行配对。
由于气体中超声能量的衰减与超声频率成正比,为了在接收端保持一定的信噪比,通常换能器的工作频率都为50~200KHz。在此频段内声学噪声是无法回避的问题。因此,应根据实际使用环境,合理选择换能器的工作频率,尽可能降低噪声的影响。图2、图3、图4为换能器输出波形。图2波形较为理想,图3波形较差,图4波形最差。
3 环境温度的影响
环境温度的变化,对转换器性能的影响也非常重要。因此,生产过程中,转换器经过常温调试后,必须经过一定时间的高温老化,高低温冲击测试,剔除那些温度变化时工作异常的转换器,使得转换器的电子控制部分工作趋于稳定、可靠。图5、图6为环境温度试验前后零流量的变化。经过比较发现,零流量的变化范围减小,数据更趋于平稳。
4 电源部分的影响
转换器电源部分工作的稳定和可靠同样对转换器性能起着关键作用。它为转换器有关电路提供了工作所需要的各种电源。转换器电源部分主要元件为DC/DC直流电源变换器,应根据电路的实际使用情况,合理选择隔离型还是非隔离型变换器。DC/DC变换器是一种会产生噪声的器件,因此,在选择器件时,应充分考虑电源变换器的实际使用环境,合理选择有关参数,将滤波器考虑在内。固定频率的变换器还应考虑频率对其他电路的影响。
浪涌电流是变换器在开关导通时形成的电流。这个开关电源隐含的电流严重时会损害器件。通常在输入端接入一个电感,不仅有助于过滤器件开关电路产生的噪声,而且还能限制浪涌电流。
虽然滤波器能防止通电时的过量电流,然而在正常条件下对输出电流过量,甚至短路不能起到有效的保护作用。发生这类情况时,变换器总是试图增加输入电流来满足输出的要求,这样器件就会过热,最终导致器件损坏。防止输出过载的最简单易行的方法是使用保险丝。保险丝的余量应足够大,以免开机时被浪涌电流烧断。
变换器是发热器件,温度指标十分重要。应选择合理的工作温度范围。变换器工作温度高于某个温度时,温度每增高1℃,噪声指标按3%递增,最高工作温度为75℃,按此推算,到最高温度时噪声指标约为正常值的两倍。
另外,接收端换能器输出信号中还包含电噪声信号,电噪声主要是指环境和电路中的电磁信号引起的干扰,器件的热噪声引起的干扰等。这类干扰是持续随机量,最常见的是白噪音。另外,还有冲击噪音,这类噪音非随机产生,一般是在元器件动作时出现。剔除这些干扰的基本思路是利用各种干扰与正常回波在信号特征上的差别,并在此基础上使用自动增益控制、数字滤波和异值剔除等几种抑制干扰的方法。图7为电源变换器对控制脉冲产生的干扰,图8为电源变换器对阈值信号产生的干扰,因此,在选择电源变换器时应充分考虑有关参数,避免出现此类干扰。
5 结语
随着科技的不断进步,气体超声流量计朝着高精度、高可靠性、智能化和微功耗方向发展,在产品的生产制造中,要求不断提升产品性能和可靠性,进一步满足生产测量方面的更高要求。
摘要：气体超声波流量计是目前工业气体测量领域重要的计量仪表,得到了广泛使用。气体超声流量计由表体、转换器、温度变送器和压力变送器等组成,转换器是流量计的核心部件,它的工作性能和可靠性对超声流量计的精确计量和长期稳定可靠工作起着决定性作用。
数模转换器 篇11
摘要：数字化需求的不断增长，对模拟技术——特别是数据转换器技术的需求变得更为重要。数字技术对信号转换技术的要求越来越高，本文介绍了数据转换器技术的发展和现状。
关键词：数据转换器;ADC;DAC;SAR;Σ～Δ
随着电子技术水平的不断发展，作为从联系真实自然界采集或传递感官信息与数字处理、存储和传输所必备的桥梁纽带，数据转换器(Data Converter—ADC/DAC)起着至关重要的作用，也正是因为数据转换器，尤其是ADC的广泛应用，大大推动了数字世界的长足发展和进步。半导体供应商也一直在不断加大对此的投入和技术创新。另外，与数据转换器性能、集成度甚至成本息息相关的芯片工艺技术水平也在不段进步。而数据转换器的性能决定了信号转换效果的优劣，且在很大程度上决定了当今数字设备的性能。
市场年增9%
随着人们对信号捕捉能力的要求逐步提升，数据转换器的应用变得越来越广泛，Gartner预测，独立的数据转换器产品收入将达到8.9%的年均增长率，营收从2009年25.67亿美元增长至2014年39.37亿美元。增长点主要包
括高端医疗/工业和测量应用(高平均售价)和低端消费类音频产品(量大)，在医疗/工业应用的年均增长率为10.2%，消费类电子应用则为9.2%。市场调查公司Databeans预测，2010年数据转换器的营收将有望比2009年增长20%以上。从长期发展来看，Databeans预计到2015年，转换器市场会继续保持9%的年均增长率。
市场表现方面，ADI是世界上最大的独立的数据转换器IC供应商，德州仪器(TI)紧随其后，Maxim位列第三，Linear Technology公司(凌力尔特)位居第四。欧胜微电子则是音频编解码器的最大供应商，不过面临来自Cirrus Logic公司的激烈竞争。
高性能多通道转换器是未来转换器技术的大趋势，同时要满足不同差异化的应用需求。“ADI的市场策略是基于现今社会对信号处理的实际要求，用先进的转换器技术及产品来为主要客户提升系统性能。这就是ADI能够远超竞争对手并占据46%的市场份额的原因”，ADI公司转换器部门副总裁Dick Meaney指出。
Gartner 模拟半导体研究总监Stephan Ohr认为，数据转换器市场对性能的要求越来越严格，并满足一些特殊性要求。传统上，数据转换器应用的需求是转换速率和精度。速率以采样率为单位，精度则体现在位分辨率。原始数据转换器的性能每年都在不断提高;而对更高精度和采样率以及更高带宽的需求在2011年将继续存在。这些数值若能达到优良值就能够帮助系统设计师减小系统体积，降低复杂程度和信号链的能耗。当然，与高速和高分辨率一样，低功耗和更高集成度一直是数据转换器产品的必然要求。在消费电子领域主要是音频编/解码器，竞争集中在将 A / D转换器和立体声的D / A转换器集成在单芯片以及芯片成本上。尽管价格压力很大，不过，现在的音频编解码器通常还是包括一个耳机放大器，电源管理器件和一个基于DSP的音频增强处理器、3D音效扩展或噪音消除。基于Flash(快闪)和Pipeline(流水线)技术的数据转换器同样在诸如高清视频播放器等便携产品中得到广泛应用。
带有更大ASSP(专用标准产品)的集成数据转换器在成本和性能方面的优势仍在被激烈地争论。许多手机应用相同的稳压器芯片将立体声音频编解码器与电源管理集成到一起，分立编解码器供应商会说这是一种严重的音质妥协，因为编解码器容易受到开关噪声的干扰;但从市场反应来看，越来越多的专门数据转换器将逐渐转化为一个更加综合应用的特定部分。
高分辨率ADC概览
数据转换器一个重要的应用是信号的采集和传输，这在通信应用中表现得极为明显。在通信基础设施方面，电信网络(包括3G和4G)承载的数据量日益增长，正考验着中国通信基础设施的能力。这正是当今DAC和ADC技术面临的主要挑战之一。ADI 公司中国技术支持中心经理聂海霞指出，在所有类型的基站和无线基础设施(WIFR)系统的现代设计中，极高速数模转换器(DAC)都是占据主导地位的信号发生器。现在它们还能执行某些功能，以降低基带处理器的负荷。这为设计人员提供了灵活度，使他们在改善信号质量的同时，能够实现更简单的设计、更低的成本以及更低的功耗。这也意味着，设计人员越来越多地要求DAC不仅能支持传统的无线通信标准，例如GSM、WCDMA、TD–SCDMA、CDMA2000、WiMAX和LTE等，还要能满足多标准蜂窝基站和其它一些应用的需求，这些应用采用了借助宽信号带宽的复杂DPD(数字预失真)技术。DAC需要兼具性能和灵活性，特别是对于支持4至6载波GSM传输规范或其它通信标准的系统。汽车、能源和航空电子系统也存在高性能挑战，在这些应用中，转换器的可靠性是最重要特性之一。转换器必须达到特定的行业规格，并具备很长的生命周期。当前，高分辨率ADC成本正大幅降低，可为设计人员带来诸多好处。
设计人员进行工业和数据采集项目设计时，很可能会遇到以下这些模数转换问题：
● 对极宽动态范围内的输入信号进行数字化处理，例如环境声压计要能在60至80dB范围内检测信号;
● 适应不同来源且信号范围截然不同的信号;
● 解析某一确定值的上下微小变化，旨在扩展以该点为中心的范围。
如果使用相对低分辨率的ADC，如10位有效分辨率，高电平信号的分辨率可能接近10位。然而，对于低电平信号，如果小于满量程的10%，其有效分辨率可能不超过6或7位。因此在很多情况下，对于精度只有1%的传感器来说，等效精度为0.1%的10位分辨率足够了。然而，对于更低电平信号，有效分辨率可能小于1%。
设计问题的解决之道
这些设计问题有很多解决方法，以下主要列出三种： 在相对较低分辨率ADC之前连接可编程增益放大器(PGA); 将输入信号加在ADC之前连接的缓冲放大器;使用高分辨率ADC。
下面逐一评估这些方法。
PGA法
历史上，PGA方法曾经非常流行，因为与较低成本ADC配对使用时，它比高分辨率ADC更具成本优势。此方法特别适用于输入信号接近0V但具有较宽动态范围的情况。图1是集成PGA的ADC原理示意图 。
这类似于过程控制系统，需要监控具有不同信号范围的各种传感器信号，例如声压计。如果对较宽动态范围的信号进行增益范围调整，所产生的最关键误差是“交越不匹配”。
这意味着当PGA切换到不同的增益值时，数字输出可能在那个点发生上下跳变。因此，在每一级都必须小心匹配增益来降低这种影响。从不同信号源中复用信号时，这个问题并不重要。然而，这与系统是否针对每个信号设计固定增益有关，如图2所示，或者对于较宽范围信号输入进行动态增益切换。
增益范围调整方法会产生以下问题：虽然可驱动一个12位ADC，但如果在其前放置一个增益为27 = 128的放大器，则放大器的有效输入噪声和失调电压精度必须为18位。对于采用固定增益运算放大器，这会有问题，而采用PGA切换时，问题可能还会更严重。这样，将精度要求从ADC转移到PGA，却没有带来任何好处。
● 在进行增益切换时，必须先对信号有所了解。可使用ADC的超量程输出，并配合软件，或者通过比较器来实现这一点。这个过程很麻烦，而且切换时间也会是个问题(也许您还记得古老的增益范围调整DVM，在改变范围时它的速度有多慢!)。
● 可以对增益为128的精密低噪声运算放大器进行简单的分析：计算有效输出噪声和失调电压，并与低分辨率ADC的最低有效位(LSB)进行比较。然而，在高增益模式下，运算放大器的线性度会是个问题。
多缓冲放大器方法
如果传感器或者信号源与内置ADC的数据采集单元有一定距离，可以使用多缓冲放大器方法(见图2)。
单个高分辨率ADC
单个高分辨率ADC的优点是简单(见图3)。如果使用16位ADC，对于较小动态范围的信号，丢失3、4或5位会使该信号的有效分辨率降至11至14位。然而，对于大多数传感器来说此精度足够了，因为ADC的精度相当于0.05%或更佳。
由于这些器件的价格最近已降到5美元或更低，因此成本将不再是需要考虑的因素。如果需要更高的有效分辨率，或者需要适应更宽的动态范围，可以使用18至24位的ADC，仍然能提供性价比较高也更简单的系统。
需解析0点附近某个信号值的微小变化时，显然应选择使用高分辨率ADC。这也是利用DAC补偿大多数信号的替代方案。在有些情况下，这仍然是一种可行的选择。目前适合增益范围调整方法的PGA有诸如ADI 的AD8250[2]。
分立vs集成在芯片内部
同时，我们也应该看到，很多ADC，甚至是DAC的功能模块已经被集成在微控制器/处理器/SoC内部，而且其标称的分辨率已有高达16位。即便如此，分立的ADC和DAC同样具有不可替代的地位。TI模拟器件事业部业务拓展工程师王胜分析主要原因如下。
(1)分立的ADC通常具有较高的精度，如16位及以上的应用场合。
(2)对于高速应用，如通信基础设施、医疗及测试计量设备等，很难找到处理器集成的ADC能够胜任。
(3)即使是同样标称性能，分立ADC获得较好设计性能概率大很多。
(4)作为模拟器件的ADC，相对容易现实模拟链路的功能集成，如，用于信号调理的PGA，输入缓存(bu er)，电压基准，以及其他辅助功能的模拟附件，如温度传感器，某些针对特定应用的硬件电路等。但对于以数字为核心的处理器器件，就可能存在与模拟电路的匹配设计问题。
(5)集成在微控制器/处理器/SoC内部的ADC方案，客户的灵活选择空间将大大降低。
(6)集成有高性能的模拟外设(包括高性能ADC)的微控制器/处理器，其成本可能相对较高。
(7)PCB的布局和设计方便，如果ADC被集成在处理器内部，很难实现系统级的模拟-数字分离设计。
部分ADC/DAC厂商及产品特点
ADI的数据转换器产品线应用广泛，聂海霞介绍道，在智能仪表和智能电网方面，去年底该公司推出了四款能量计量集成电路(IC)，这种方案能够提升应用于工商业和民用智能电表的精度和准确度。新产品是高精度的能量计量IC，可应用于包括三线和四线服务器的聚相装置。这种IC的特点是能够在超过1000 :1的动态范围内进行动态及无功电能测量，精确度达0.1%，可谓业界首创。
在医疗电子领域，ADI推出了业界最为精准的单片数模转换器(DAC)AD5791，提供该公司前所未有的精确度，使得放射科医生可以在疾病初期得到超清晰的磁共振成像图来帮助探测疾病。ADI近期推出的其他医疗新品包括ADAS1128 24位电流数字转换器、ADuM4160单芯片通用串行总线隔离器及AD927x系列八通道超声诊断系统接收机。2010年7月，ADI向中国市场推出了AD5755数模转换器，配有动态电源管理，多通道，16位数模转换器驱动能力;节约能源，并在工业应用中的I/O系统控制过程中十分可靠。ADI的高度整合数据转换器AD5755是一套完整的多通道控制集成电路，整合了4个带有可调控电压或4~20mA输出驱动的16位数模转换器，以及动态电源管理。
TI模拟器件事业部业务拓展工程师王胜介绍，TI在ADC和DAC等数据转换器产品中可以为客户提供非常广泛的产品系列，包括信号链产品和音视频应用中的DAC及ADC产品。通常Σ-Δ型ADC被应用于高精度低速率的场合，不过TI利用自身掌握的核心技术，可使Σ-Δ型ADC到达24bit的分辨率、4Msps的数据速率，这一性能对于Σ-Δ型ADC来说不多见，至少从某种层面可以说明TI的Σ-Δ型ADC技术具有独特优势。
另外，为了满足某些具有共性需求的特定应用，TI给客户提供了“定制化”的选择：⒈针对工业自动化及仪表应用中的对微弱小信号的采集需求，尤其是广泛应用的温度测量应用，并考虑到类似设计中客户面临的高性能、低功耗、高集成度/有限的PCB面积、低成本以及设计简化的需求，TI推出了Σ-Δ型ADC，ADS1248/7/6和ADS1148/7/6系列产品，覆盖24bit/16bit以及不同的集成度版本。⒉在工业过程控制、运动控制、电力自动化以及工业型号采集场合，逐次逼近(SAR)型ADC，由于其自身架构决定的无延时特性，以及可以实现更多的采样速度和分辨率的折中选择，得到了更广阔的应用。TI可以提供分辨率从8bit到18bit，速度从每秒数千次采样率到每秒数百万次采样率的更加宽泛的SAR ADC产品系列。⒊TI在高速ADC(主要以Pipeline型ADC)产品中也加强投入和创新，尤其在通信和视频应用领域。
凌力尔特产品市场经理Alison Steer介绍，在高性能、高速 ADC 领域，凌力尔特产品具有极低的功耗。通过整合设计专长和创新性封装技术，凌力尔特利用这个系列的产品开发出了高性能信号链路微型模块 (uModule) 接收器子系统，这些子系统可以不受任何限制地交付到中国市场。这些器件已经从最近中国电信市场的增长以及中国一些主流公司的测试和仪表产品的增长中获益。在工业应用的高精确度 ADC 和 DAC 领域，凌力尔特也是拥有显著优势的领导者，最近率先推出了真正的 18 位数模转换器，该转换器在整个工业温度范围内实现了有保证的±1LSB (低于 4ppm!) INL 和 DNL 性能。凌力尔特公司十分专注于设计高线性度数据转换器，同时充分考虑灵活性、尺寸和功耗。公司开发了多个引脚和软件兼容的产品系列，因此用户可以选择数字接口、内部基准、通道数和具中标度或零标度复位的 DAC 输出或高阻抗 (LTC2635)。高精确度、电流输出 DAC 系列还为设计师提供了在从 12 位开始直到 18 位精确度的分辨率中所需的、有保证的性能。
高速时间-数字转换器设计与实现 篇12
当需要用系统对初始激励的响应时间来确定系统或样品的性质时,如果信号很弱并且是由小数量的电子、离子、光子等粒子构成,则将它们作为脉冲检测并引入单粒子计数方法是很方便且有益的。得到一个谱的时间称为一个测量周期。一次测量周期由大量相同的扫描周期组成,每个扫描周期被分为若干时间通道。若检测到某通道有一个以上脉冲到达则将此通道记数值加1。多次重复扫描周期后,所得响应可以反映由施加激励到待测离子被测到之间的时间间隔的分布情况。飞行时间质谱计(Time of Flight Mass Spectrometer,TOFMS)就是应用这种技术得到谱图。
飞行时间质谱计的检测系统由电子收集极、电子倍增器、甄别放大电路、时间-数字转换器和计算机组成。时间-数字转换器(time-to-digital converter,简称TDC)是检测系统中的重要部分,也是整个飞行时间质谱计的关键部件之一。TDC在检测系统中的作用是记录信号的到达时刻和数量。此外它还有发出电子引出脉冲和离子引出脉冲的作用,它和计算机一起对整个质谱计进行控制。它的性能对质谱计的灵敏度、动态范围、分辨率、质量范围等指标都有重要影响。为提高系统的时间测量分辨率,本文介绍一种利用串并转换芯片实现402ps测量精度的高速TDC设计方案。
1 系统硬件设计
1.1 系统硬件框图
TDC系统硬件组成由前端信号调理电路、串并转换电路、高速时钟电路、数据处理FPGA和USB总线等外围器件组成(见图1)。
1.2 系统主要器件
1.2.1 串并转换芯片
MC100EP445是一款自带数据同步功能的1:8串并转换芯片,芯片在CKSEL管脚的控制下,可工作在两种模式下。当CKSEL输入高电平时,进入模式1,此时串行输入数据在输入时钟的上升沿被锁存,此时最高数据率可以达到3.3Gb/s,当CKSEL输入低电平时,器件进入模式2,此时串行输入数据将在输入时钟的上升沿和下降沿共同锁存,芯片内部最高工作速率可达5Gb/s,CKSEL默认为低电平。器件具备两组串行输入路径SINA和SINB,通过SINSEL管脚在两个输入之中任选,当SINSEL悬空时,此时芯片内部的下拉电阻将会下拉SINSEL管脚,此时器件的默认输入路径为SINA通道。另外,器件具备SYNC管脚,当保持两个以上连续时钟周期的高电平时,将会丢弃一位数据,并且将之后的数据提前一位,以方便用户将数据对齐到并行总线上。MC100EP445的原理框图(见图2)。
当器件上电以后,内部的翻转器结构将会保持在随机状态,为同步器件内的多片翻转器,RESET管脚在上电后需要被置高电平,RESET管脚此时会关闭内部时钟信号,芯片在RESET信号的下降沿之后的第二个时钟上升沿开始转换串行数据流。
1.2.2 高速时钟产生电路
高速串并转换器需要一个高达2.5GHz的高速时钟作为转换时钟,该系统中高速时钟产生电路采用Silicon labs公司的低抖动高速时钟发生器Si5321。Si5321可以从中心频率为19MHz和622MHz之间6个频率之一的输入时钟生成中心频率为19MHz、39MHz、78MHz、155MHz、622MHz、1244MHz或2488MHz的、用户可选择输出时钟。Si5321利用Silicon Laboratories的DSPLL技术消除抖动和噪声,不再需要传统PLL中的外部回路滤波器元件。DSPLL技术采用数字信号处理算法,用数字电路替代模拟回路滤波器及其相关的分立无源元件。为在抖动衰减应用中具有较好的灵活性,Si5321提供可选的回路滤波器带宽设置,最低抖动可低至0.25psRMS。Si5321工作稳定,不容易受工艺、温度和电压变化的影响,同时,Si5321还提供数字保持功能,在输入时钟丢失时可以保持稳定的输出时钟。芯片的原理框图(见图3)。1.2.3可编程逻辑器件可编程逻辑器件在系统中要实现对外围器件的控制和对高速并行数据流的采集和存储,其工作速率最高必须达到串并转换芯片的数据流速度,当MC100EP445工作在2.488GHz时,并行输出总线上的速率为311MHz,故FPGA需要至少达到311MHz的工作频率,才能够保证信号的完整性和正确性。本系统采用XILINX公司的VIRTEX-4SX35,其内部可工作最高工作在500MHz的时钟频率下。此外,SX35还具备高达20万个逻辑单元,拥有256 GMACS(18bit×18bit)数字信号处理电路等强大功能,适合对高速信号进行实时处理。
1.2.4 USB接口芯片
USB控制器拟使用赛普拉斯公司提供的CY7C68013芯片,这是世界上第一款集成USB 2.0的微处理器,集成USB 2.0收发器、SIE(串行接口引擎)、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。GPIF(Genera l Programmable Interface)和主/从端点FIFO(8位或16位数据总线),为ATA,UTOPIA,EPP,PCMCIA和DSP等提供简单和无缝连接接口(见图4)。
2 系统软件设计
2.1 FPGA程序设计
2.1.1 TDC数据处理
当用户设定好扫描周期后,上位机通过USB2.0将换算后的计数周期n发送给FPGA,当采集开始时,TDC中高速计数器开始循环计数(地址计数器),其输出作为RAM的地址,每一RAM单元就是TDC的一个时间通道。程序组成框图(见图5)。
此时,MC100EP445的输出数据被依次从1一直到n存入共n个RAM单元,在每一次计数过程中,当飞行管的离子探测器探测到一个离子时,便产生一个脉冲,反映在串行数据流上就是一个“1”的数据,FPGA启动相应的控制逻辑电路,锁存此时的地址计数器的输出,相应的RAM单元中的数据加1。这样RAM地址就与离子的飞行时间成线性关系。在采集停止之后,FPGA将RAM内部的数据依次写入USB芯片内部的FIFO,供上位机读取和保存。2.1.2 USB芯片的控制FPGA对USB芯片的控制程序是在硬件电路连接的基础上进行控制的。首先FPGA需要产生一个供USB芯片工作的时钟usb_ifclk(5～48M)。然后定义一个名为mode_ctrl的控制信号管脚,FPGA根据mode_ctrl管脚的状态选择工作模式,mode_ctrl为高时进入读数模式,mode_ctrl为低时进入写数模式,读/写的同时对数据进行解析或打包。最后,在读/写的过程中,usb_slcs恒定设为低,根据usb的空满信号,对usb_rd和usb_wr进行操作(见图6)。
2.2 USB驱动程序编写
Cypress公司为CY7C68013提供一个开发框架,可以在KEIL C51环境下开发。由于开发框架的引入,从而大大缩短用户的研发周期。该框架由以下两部分组成:(1)fw.c中包含程序框架的MAIN函数,管理整个51内核的运行,因为Cypress对这个部分的功能进行精心划分,一般是不用改动的。(2)用户必须将tcxmaster.c实例化,它负责系统周边器件的互联。固件的设计主要针对这个文件,用户必须根据自己系统的需要,实例化这个文件。对于这个文件的实例化,主要是设置芯片内部的寄存器状态字,这个平台主要涉及到以下几个寄存器:CPUCS,IFCONFIG,EP4CFG,EP2FIFOCFG,EP6FIFOCFG。将CPU的时钟频率设置成48M,将工作模式设置成slave FIFO模式,采用外时钟同步,把fifo分成Endpoint2(in)和Endpoint6(out),把数据位设置成16bit,把fifo传输设置成bulk块传输模式。将PA1(mode_ctrl)设置成输出使能,通过Labview软件控制平台控制mode_trl的模式(1为发送,0为接收),通过管脚mode_ctrl控制FPGA的读/写工作模式。
2.3 用户界面的编写
控制平台程序,选用VC++6.0编写核心算法,生成DLL动态链接库,供Labview编程平台调用,用Labview的开发环境来开发应用程序,两者协同使用,可以充分发挥各自的优点,大大提高工作效率。PC端程序以驱动程序为桥梁,对USB设备进行命令控制,处理USB设备传回的数据,例如谱图显示,谱图分析等。开发者可以依据自己的实际需求,制作一个USB控制的控件或数据包,在编写应用程序时连接或嵌入到应用程序中。
3 系统测试与结论
将待测TDC接入飞行时间质谱计的检测系统中,使用激光照射样品,得到质谱图(见图7),其中横轴为时间轴,纵轴为粒子数量,此时可以根据谱图类型鉴别样品成分。
经过测试,基于USB2.0的时间-数字转换器采样率达到2.488GHz,系统采用USB2.0接口,易于使用,同时系统具有良好的稳定性和强大的信号处理分析功能。
参考文献
[1]Jorgen Christiansen.High Performance Time to DigitalConverter(Ver 2.2).CERN,March 2004
[2]潘欣.时间-数字转换器在时间间隔误差测量中的应用[J],宇航计测技术,2004,(1):53~56
[3]丁建国,沈国保,刘松强.基于数字延迟线的高分辨率TDC系统[J],核技术,2005,(3):173~175
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