基于FPGA的非周期信號等效采樣原理和實現

中煤科工集團重慶研究院有限公司 張海鵬

基于FPGA的非周期信號等效采樣原理和實現

中煤科工集團重慶研究院有限公司 張海鵬

分析了高精度測量儀表中信號高速ADC采樣的迫切性，實際應用時信號等效采樣的必要性，結合非周期信號的特點確定了順序等效采樣的方法，闡述了順序等效采樣的原理，基于FPGA內部鎖相環（PLL）倍頻和移相的特點，最終實現了用50MSPS的ADC達到了1.6GSPS的等效采樣速率，為解決毫米級激光測距和分米級電磁波故障定位的精度問題提供了理論依據和實際措施。

非周期信號；等效采樣；順序等效采樣法；隨機等效采樣法；FPGA

引言

隨著數字信號處理技術的迅速發展,模擬信號數字化越來越靠近設備前端,波形數字化[1]一直是前端讀出電子學系統設計的難點,對高速變化的模擬信號進行采樣例如高精度的激光測距儀、電磁波故障定位儀、數字示波器等,都要求有超高采樣率的ADC電路和數據處理電路。低速ADC無法對高頻信號實時采集,高速ADC芯片價格居高不下,并且采購還受國外因素制約,必須采用等效采樣技術。它以增加采集時間為代價降低采樣率,通過對多次采樣的數據進行重構實現周期信號或非周期信號的數字化。等效采樣分順序和隨機等效采樣兩種方法[2]。對于周期信號可以采用隨機等效采樣并實現預觸發,多應用于數字示波器;對于非周期信號只能采用順序等效采樣,本設計的創新在于充分利用FPGA內部鎖相環倍頻和移相實現了0.625ns實時時移,可編程邏輯電路控制順序等效采樣時序,結合50MSPS的ADC等效實現了1.6GSPS的采樣速率。

1 發射非周期信號的特點

1.1 發射信號具有時限性[3]

發射信號無論是單個單極性脈沖、單個雙極性脈沖,還是多周期脈沖串,它都具有在某個時間區間有信號,其余時間都為0的共性,是典型的非周期信號,測量信號滿足式(1.1):

1.2 發射信號系統具有線性時不變特性

首先發射信號系統具有時不變特性,當內部控制信號有一個時移時,發射信號也產生相同的時移,除此之外無任何其它變化。當式(1.1)中產生一個時移變為時,,其它為0。

1.3 發射信號具有可配置性

發射信號系統滿足線性時不變特性,同時硬件系統能實現配置發射信號的極性、幅度、持續時間、多周期重復等功能,支持信號正負雙極性輸出、幅度k倍縮放、持續時間a倍拉

圖1 兩次順序等效采樣示意圖

圖2 發射信號電路框圖

圖5 FPGA上順序等效采樣電路

圖6 AD采樣電路

圖3(a) 發射信號脈寬和極性控制電路

圖3(b) 發射信號基準時鐘產生電路

圖3(c) 發射信號觸發延時電路

采樣的示意圖如圖1所示,更多倍數的順序等效采樣原理以此類推。在工程技術上,提供一個時間極小△t的延遲比較容易,因此順序取樣能提供很高的時間分辨率和精度,能夠極大的提高系統的采樣率。

2 非周期信號采樣的FPGA實現

以電磁波電纜故障定位儀為例,FPGA芯片選用Altera公司Cyclone IV[4]系列EP4CE30F23I7N,用VHDL語言實現的自定義模塊[5],發射信號產生電路如圖3(a)、(b)、(c)所示,實現了根據測量范圍TDR_SEL信號自動選擇脈沖寬度和脈沖極性。

3 順序等效采樣的實現

激光脈沖測距儀和電磁波電纜故障定位儀都由片上系統(SOPC)根據測量范圍配置順序采樣等效次數,控制地址自動生成器產生單次觸發控制信號和觸發延時控制,實現每次發射信號比上次觸發提前一個△t時間,發射信號都經被測對象反射形成接收信號,接收信號經過信號調理電路調整好幅度和基線,AD采樣電路在地址自動生成器的配合下,將采樣數據依次存入片上雙端口RAM,片上系統從雙端口RAM中讀出順序等效采樣數據,完成波形重構和數字信號相關技術處理,順序等效采樣電路框圖如圖4所示:

圖4 順序等效采樣電路框圖

以電磁波電纜故障定位儀為例,在FPGA上用VHDL語言實現的自定義模塊,順序等效采樣電路路如圖5所示,實現了自動地址生成器、單次觸發控制和片上雙端口RAM,根據儀表測量范圍選擇雙端口RAM的容量,在本例中等效采樣最高速率1.6GSPS,雙端口RAM每個AD采樣值對應距離分辨率為:

保證這個分辨率測量800m的范圍,就要選擇至少8Kbytes的雙端口RAM容量。

外部硬件AD采樣電路如圖6所示,采用ADI公司的AD9283BRSZ-50芯片,475MHz模擬帶寬,8bit采樣,1.25V內置基準,溫漂系數130ppm/℃,50MSPS的實時采樣速率,經過32次等效采樣最高可達1.6GSPS的采樣速率。

4 結語

本文針對激光脈沖測距儀和電磁波電纜故障定位儀中用到的非周期信號提出了順序等效采樣的方法,結合FPGA內部的鎖相環倍頻和移相實現了50MSPS的32倍頻1.6GSPS等效采樣。在設計舉例中選用經濟型Cyclone IV系列EP4CE30F23I7N芯片,片上最高頻率只支持437.5MHz,最高等效采樣速率受到限制。如果選用功能更強大的其它系列或其它廠家的FPGA芯片,又或者隨著電子技術的進一步發展,采用這種原理的順序等效采樣方法也能達到更高的采樣頻率,能更好地解決非周期信號采樣的問題。

［1］唐邵春.基于時間并行交替技術的超高速高精度波形數字化研究［D］.中國科學技術大學 博士論文,2012(5).

［2］石明江.100MHz數字存儲示波器等效采樣的研究［D］.電子科技大學碩士論文,2006(2).

［3］鄭君里等.信號與系統［M］.高等教育出版社,2000.

［4］Altera.Cyclone IV Device Handbook［J］.Altera Corporation, 2013(5).

［5］任愛鋒等編著.基于FPGA的嵌入式系統設計［M］.西安電子科技大學出版社,2005.

張海鵬（1983—），男，陜西榆林人，工程師，大學本科，主要從事礦用產品的資質申辦及質量管理工作。