摘要：詳細(xì)介紹CLC5958的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本用法，提出一種基于FPGA和PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。該采集卡的采集速度快，精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展方便，抗干擾能力強(qiáng)，適宜和于高速智能儀器和其他數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：CLC5958；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；數(shù)據(jù)采集卡；PCI總線
引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于微處理器的數(shù)字信號(hào)處理在測(cè)控、通訊、雷達(dá)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。被處理的模擬信號(hào)也在向高頻、寬帶方面發(fā)展，但這需要高速、高分辨率的數(shù)字采集卡以將模擬信號(hào)數(shù)字化。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司新推出的系列高速、高分辨率模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（如CLC5958）就非常適用于需要高速、高分辨率的信號(hào)采集系統(tǒng)。
用于PC的采集系統(tǒng)以前大多有用ISA總線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是傳輸速率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。而PCI總線則以其卓越的性能受到了廣泛的應(yīng)用。32位PCI總線的最大傳輸數(shù)據(jù)速率可達(dá)132MB/s，64位PCI總線的最大傳輸速率可達(dá)528MB/s。實(shí)際上，采用高性能的總線已經(jīng)成為高速采集技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
利用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）來(lái)連接高速A/D轉(zhuǎn)換器和PC的PCI接口，可以充分利用可編程器件高速、靈活、易于升級(jí)、抗干擾性能的優(yōu)點(diǎn)，并且可以大大縮短開發(fā)時(shí)間[1]。
1 CLC5958型A/D轉(zhuǎn)換器
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的CLC5958，該電路具有14位分辨率和52Mb/s的轉(zhuǎn)換速度，而且動(dòng)態(tài)輸入頻帶寬，轉(zhuǎn)換噪聲低，非常適合于寬帶、高頻信號(hào)的采集。CLC5958集高保真采樣保持器和14位多通道轉(zhuǎn)換器于一體，其信號(hào)和時(shí)鐘均采用差動(dòng)輸入方式，且內(nèi)部集成有參考電壓，可支持CMOS和TTL雙重輸出標(biāo)準(zhǔn)。采用0.8μmBiCMOS制作工藝。CLC5958的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
<!--StartFragment -->
CLC5958的基本特性如下：
●具有極寬的動(dòng)態(tài)輸入范圍；
●奈奎斯特濾波器特性卓越；
●取樣保持能力強(qiáng)；
●采用48引腳CSP封裝；
●CMOS、TTL輸出可選；
●取樣速度可達(dá)52Ms/s，SFDR可達(dá)90dB,SNR可達(dá)70dB。
CLC5958可應(yīng)用于GSM、WCDMA、DAMPS、精確天線系統(tǒng)等通訊領(lǐng)域。其工作時(shí)序如圖2所示。但在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題。
（1）由于AIN和AIN模擬量差分輸入端可通過(guò)片內(nèi)500Ω輸入電阻器接入，且內(nèi)置3.25V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。為了減小非線性輸入的偏置電流，其輸入耦合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡可能接近電路。
（2） ENCODE和ENCODE為時(shí)鐘差分輸入端，其參考電源為VCC，時(shí)鐘輸入可以為PECL電平，也可以為其他波形（如直流為1.2V峰值在VCC以下的正弦波）。輸入時(shí)鐘的噪聲超低，轉(zhuǎn)換時(shí)的SNR性能越高。但由于時(shí)鐘輸入采用非自偏置輸入，所以每個(gè)輸入信號(hào)必須指定“地”電平。
（3）該電路的噪聲主要來(lái)自采樣保持器的非線性特性和轉(zhuǎn)換器，因此，通過(guò)變壓器的磁耦合來(lái)傳遞輸入信號(hào)可以有效減少低頻噪聲。輸入時(shí)鐘在電路內(nèi)部被分頻產(chǎn)生內(nèi)部控制信號(hào)，但在分頻過(guò)程中可能產(chǎn)生1/4倍和1/8倍的時(shí)鐘噪聲，這些噪聲一般不大于-90dBFS。
（4）CLC5958的內(nèi)部電源由V cc供給，但是輸出信號(hào)電源由DVcc供給（3.3V到5V均可），使用時(shí)，每一個(gè)電源引腳都必須接入相應(yīng)的電平，且最好并接0.01μF的去耦電容器。
（5）該電路在高速采樣時(shí)性能最好，如果采樣速率過(guò)低，內(nèi)部采樣保持電路將會(huì)產(chǎn)生較大誤差。
根據(jù)以上注意事項(xiàng)，給出CLC5958在采樣系統(tǒng)中的電路，如圖3所示。
2 FPGA的內(nèi)部設(shè)計(jì)
由于CLC5958的轉(zhuǎn)換速度高且控制操作簡(jiǎn)單，因此一般單片機(jī)因速度太低而很難控制該電路。如果采用高速DSP來(lái)控制，顯然，對(duì)DSP超強(qiáng)的運(yùn)算能力來(lái)說(shuō)又是一種浪費(fèi)。
<!--StartFragment -->
現(xiàn)在市面上銷售的各種PCI接口控制電路，如果AMCC公司的 S5933及PLX的9080系列等，雖然可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主、從設(shè)備模式的接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶接口，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受接口電路的限制，不能靈活地設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)，且成本較高。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡則不需要完整的PCI接口功能。
