低成本高速波形数据采集仪的设计

　　1　概　述

　　高速波形记录仪(High Speed WaveformRecorder)是把模拟输入信号数字化并记录在高速随机存储器中的一种电子仪器。它可以采集并记录周期信号、重复信号,也能捕捉单次瞬变信号。高速波形记录仪也称为瞬态记录仪,波形数字化仪。它实质上是一种极高速数据采集系统。

　　由于现代科学技术的发展,在许多应用场合需要用计算机处理高速变化的信号波形,如高电压试验中冲击电压、冲击电流的测量;供电传输线上的浪涌电流测量;电气绝缘局部放电测量;频谱分析及雷达通讯、无损检测等。过去几年,由于高速A/D和高速存储器的价格较高,因而高速波形数据采集尤其是单次波形高速数据采集系统的价格昂贵。近年来由于计算机的广泛应用及微电子技术的发展,作为计算机Cache的高速静态存储器价格已经很低;此外由于通用示波器向数字化方向发展及其它方面的需要,高速A/D的市场不断扩大,因而高速A/D变换器的价格也不断降低;因此,有可能设计出高性能价格比的高速波形数据采集系统。本文就用闪烁型A/D及PC机于高速缓存设计高速波形采集系统的一些问题进行讨论。

　　2　变换器

　　2.1　A/D芯片性能介绍

　　闪烁型(Flash)A/D变换器是一种采用电压比较器直接量化模拟量的超高速A/D变换器,易于串联和并联,而且价格不断下跌。目前,由于集成电路工艺的发展,市场上已有多种此类A/D芯片供应。因此,针对闪烁型A/D变换器主要是AD9058进行介绍。

　　AD9058的基本结构如图1。

　　AD9058内集成了两个完全独立的8 bit模拟—数字变换器,并有可以选择的内部参考电压源,它是需要两个或多个ADC的系统的高效低价的替代品。

　　AD9058的动态特性(包括SNR,ENOB)经过优化后提供了高达50 Msps时, AD9058的ENOB为7.4位(bits)。

　　有效位ENOB (the effective number of bits),定义如下:

　　式中N为采样分辩率,Error(measured)为根据测量结果计算出来的均方根误差, Error (ideal)为理论上的均方根误差。

　　AD9058内含两个独立的8 bit A/D变换器。这两个ADC能独立操作,各自带了采样保持器(SHA),用独立的模拟输入、参考电平和时钟。

　　AD9058使用了专利内插技术,采用内插结构以减少电路的复杂性,尺寸和输入电容,它只使用了普通闪烁ADC的一半数量的比较器, AD9058每个8位ADC单元中只有128个比较器,开始时只产生高7位数据,最低位(LSB)通过在编码寄存器中相邻比较器的内插技术来获得,然后选用一种合适的编码方案处理比较器输出并产生一个8 bit的代码,使误码率降至最低。