数转换器在数据采集系统中的应用

发布时间：2020-07-01 02:27:24 阅读：次来源：软体床厂家

1 引言

本文引用地址：科学技术的发展对数据采集系统的采样速率、分辨率、精度、接口及抗干扰能力等提出越来越高的要求。

ADl871是目前市场上动态范围、采样速率和采样精度等指标都很突出数据的一款24位 ADC，它的推出为设计高速、高精度数据采集系统提供了一种较好的解决方案。由于其输出为串行输出，当其和MCU直接相连时，会使采样系统的采样速率大大降低。

如果MCU的I/O端口的实际最高速率是1MHz(单片机的速率通常是这个数量级)，那么I/O端13传输1Bit的最短时间间隔为1μs，当ADl871输出2路各24Bit时，需要实际串行输出64Bit，故采样速率下降为1MHz/64=15.625kHz，这个速率远远低于ADl871的96kHz，另外，单片机把64位串行数据再处理为2个24位的并行数据时，速度会进一步降低。

为此，笔者采用现场可编程门阵列(FPGA)设计了ADl871和MCU之间的接口，由FPGA完成对ADl871的控制，并将其输出的串行数据在FPGA的内部变为并行数据，并行后的数据以8位或12位为一组发给MCU。由于FPGA的实际传输速率可以满足和ADl871的传输速率要求，故上述“瓶颈”得以解决。

2 接口设计

2.1 时钟设计

图1示出A/D转换器的输入时钟设计，MD转换器工作在从模式下时，需要外部提供RLCLK和BCLK。在主时钟MCLK的输入下，通过对MCLK 4分频得到BCLK的信号，用来作为位数据提取的信号。RLCLK是通过对BCLK的32分频得到的，用来区分左右通道的数据，同时输出EN信号作为后续处理的同步信号。

2.2 接口设计

在图2中，输入为MCLK(主时钟)、RESET(启动信号)和SHIFTIN(A/D输出数据)，输出为RL(左右帧信号)、BCLK(A/D数据位时钟)，TXT(并行数据读取控制)和SHIFTOUT(并行数据输出)。通过时钟控制输出BCLK和 RLCLK到AD1871，AD1871传出数据SHIFTIN进入SHIFT模块，SHIFT模块在正确的位时钟下读取SHIFTIN的输入数据，并进行串，并转换，之后输出8位或12位的数据。同时输出TXT并行数据读取控制。

2.3 SHIFT模块程序

Emity shifill is

PORT(BCLK：IN STD_LOGIC;一输入的BCLK位信号

CR ：IN STD_LOGIC;--输入的使能信号

SHIFTIN：IN STD_LOGIC：--AD输入的串行信号

RLEN：IN STD_LOGIC;--输入的RLCLK使能，帧对准信号

TXTS：OUT STD_LOGIC;--8位的组信号输出控制信号

sddddd：OUT STD_LOGIC_VECTOR (7DOWNTO 0); --8位并行信号输出);

end shift11：

architecture Behavioral of shift11 is

SIGNAL TEMPDATE：STD_LOGIC_VEC—TOR(8 DOWNTO 0);

SIGNAL TEMPO11：STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO 0)：=“00000000”;

SIGNAL Q：INTEGER RANGE 0 T0 7;

一并行信号计数8位产生一个脉冲;

SIGNAL Q4：INTEGER RANGE 0 TO 3;

--有用信号选择，选择32位中的24位;

笔者用MaxPlus II对以上设计进行仿真后得到图3所示的时序图，完全满足设计要求，从图3可以看出串行输入的数据(shiflin)变成并行的数据(shiftout) 输出，在此过程中数据延时8个周期，每个txts的上升沿提取数据能保证数据的正确性。因为从数据的变动到txts的上升沿有400ns，大于FPGA的数据建立时间(25ns~50ns)，可以保证提取数据的正确性。

3 小型采样系统

图4示出采用ADl871构成的采样系统结构。整个系统在1个FPGA上实现，分为3部分：并转换模块;ADC控制和配置;UART通信。

具体的功能是实现ADC的初始化、信号的采集存储及UART通信。

工作原理是由ADC控制模块来接收PC的数据，转发控制数据到ADC，对ADC的工作状态进行配置。完成后ADC采样并储存在FIFO中，通过控制向单片机传送数据。

从仿真结果看，整个系统的工作正常，说明接口设计的正确性和可行性。

4 结束语

由ADl871构成的数据采集系统具有高分辨率、宽动态范围、高信噪比等特点，特别适用于高精度数据采集系统。∑-△型ADC具有抗干扰能力强、量化噪声小、分辨率高、线性度好、转换速度较高、价格合理等优点，因此越来越多地受到电子产品用户及设计人员的重视。解决这类ADC的接口问题在实际设计中具有重大意义。笔者设计的接口使单片机从接收数据的困境中解脱出来，大大提高了单片机的采样速率，原来处理一帧数据需要读64次，现在只需要6次，在12位输出的情况下只需要4次，也就是说采用FPGA后单片机的I/O口可以达到1MHz/6=166.66kHz 的采样速率，大大超过了96kHz的采样速率，使单片机有时间对数据进行一些处理。