基于锁相环的高速示波器等效采样系统设计基于锁相环的高速示波器等效采样系统设计
采用小数分频锁相环芯片ADF4351作为采样时钟发生器,利用FPGA进行等精度测频,运用差频法顺序等效采
样原理,设计了最高等效采样率为160 GS/s的高速示波器等效采样系统。同时通过时钟分配器和数字延迟线产
生交替采样时钟,利用4片最高采样率为250 MS/s的8 bit ADC进行时间交替采样,使系统的最高实时采样率达
到1 GS/s。由于采用低抖动的时钟源,系统在DC到500 MHz的设计带宽内保持了良好的噪声性能,信噪比优于
基于DDS技术的等效采样系统。
0 引言引言
针对高速示波器应用,设计了一种基于小数分频锁相环技术的差频法等效采样系统
[1]
,其最高等效采样率随着被测信号频率
的升高而升高,在处理高频信号时具有先天性的优势。相比于主流的基于DDS(Direct Digital Synthesizer)技术的差频法等效采
样方案,其在高频率下的可靠性更佳。同时,本系统通过时间交替采样提高实时采样率
[2]
,兼顾了采集周期性和非周期性信号
的性能。
1 系统设计方案系统设计方案
1.1 系统原理框图系统原理框图
如图1所示,采样系统主要由外围电路和FPGA内数字电路构成。系统在进行等效采样时,先由触发电路和分频电路产生测
频用的方波,等精度测频模块测得信号频率后,再由内置于NIOS II软核中的程序计算出所需的采样时钟频率,并控制锁相环
(Phase Locked Loop,PLL)模块产生采样时钟。之后,ADC在采样时钟驱动下完成信号采集,采得数据被数据缓冲模块接收
后依次在整数抽样模块和小数抽样模块中完成二次采样,按需丢弃同一周期多余的采样点并修正等效采样率误差。最后,采样
数据经RAM存储后被传送至示波器的人机交互部分。
系统在进行时间交替采样时,时钟分配模块将PLL模块输出的时钟扇出为4路,并利用数字延迟线将其中3路分别延迟1/4、
2/4、3/4个时钟周期,与未经延迟的一路一起构成4路相位依次相差90°的交替采样时钟,驱动4个250 MS/s的8 bit ADC芯
片,AD9481实现采样率为1 GS/s的交替采样。
1.2 系统理论分析系统理论分析
1.2.1 差频法实现顺序等效采样的原理分析差频法实现顺序等效采样的原理分析
[3]
周期信号中不同相位的点将在各个周期中重复出现,因此只要每个采样点在周期中的相对位置依次移过ΔT,就能完成顺序
等效采样,恢复周期信号。利用差频法进行顺序等效采样时,首先测定周期信号的频率f,再产生一个频率为f/n-Δf的采样时钟
f
clk
。由于两者之间的周期相差ΔT,故每经过一个周期,采样点在周期中的相对位置就移过ΔT。当最后一个采样点相对第一个
采样点移过一个信号周期时,就完成了对一个完整周期的采样。
因为本系统的模拟带宽为DC到500 MHz,ADC采样时钟范围为20~250 MHz,模拟带宽超出了采样时钟范围,所以需要根
据模拟信号频率的不同选取不同的倍频/分频系数n(见表1)。当n<1时,需要由整数抽样模块对采样序列按照n:1的比例进行二
次采样,丢弃同一周期中多余的采样点。