基于CPLD的模數(shù)轉(zhuǎn)換組合研究作

1、    基于CPLD的模數(shù)轉(zhuǎn)換組合研究作    基于CPLD的模數(shù)轉(zhuǎn)換組合研究作    類別：EDA/PLD      引言 a/d轉(zhuǎn)換組合是雷達(dá)目標(biāo)諸元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵牟考?，一旦出現(xiàn)故障，目標(biāo)信號(hào)將無(wú)法傳送到信息處理中心進(jìn)行處理，從而導(dǎo)致雷達(dá)主要功能失效。某設(shè)備的a/d轉(zhuǎn)換設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，可維修性差，故障率高，因此，采用cpld技術(shù)和器件研究a/d轉(zhuǎn)換組合，改善該設(shè)備的總體性能。 2 a/d轉(zhuǎn)換組合工作

2、原理剖析 a/d轉(zhuǎn)換組合作為武器系統(tǒng)的核心部件，接口特性和功能與武器系統(tǒng)的兼容，是新a/d轉(zhuǎn)換組合研制成功的前提，因此，必須對(duì)引進(jìn)a/d轉(zhuǎn)換組合進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，提取接口特性及其參數(shù)，分析組合功能和性能指標(biāo)。 2.1 組合工作原理及端口信號(hào)說(shuō)明 原a/d轉(zhuǎn)換組合由五個(gè)裝置組成，這五個(gè)裝置形成兩個(gè)完全相同且互相獨(dú)立的通道。每個(gè)通道包括一個(gè)預(yù)處理裝置、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置，如圖1所示： a/d轉(zhuǎn)換組合與武器系統(tǒng)其它部分的電路連接端口有6個(gè)：端口1為電源端口，x2、x4為相互正交的輸入模擬信號(hào)，x5、x6為輸入脈沖信號(hào)，x3為輸出數(shù)字信號(hào)。    輸入

3、模擬信號(hào)x2和x4進(jìn)入預(yù)處理裝置，形成便于a/d轉(zhuǎn)換的信號(hào)。此信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置，得到輸出數(shù)字信號(hào)x3。每個(gè)通道將輸入模擬信號(hào)數(shù)字化，在端口x3形成8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)符號(hào)位，符號(hào)位與輸入模擬信號(hào)極性相對(duì)應(yīng)。x3同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)通通及整個(gè)組合的工作自檢。 為保證組合的正常工作，須向同步裝置輸入脈沖信號(hào)x5和x6。x6稱為“計(jì)數(shù)脈沖”，用作a/d轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘。x5稱為“自動(dòng)微調(diào)脈沖”，用于a/d轉(zhuǎn)換精度的微調(diào)和工作狀態(tài)的自檢。同步裝置根據(jù)x5和x6形成若干脈沖，這些脈沖分成完全相同的兩組同時(shí)送給兩個(gè)通道。 2.2結(jié)構(gòu)組成分析 (1)同步裝置 同步裝置由三個(gè)子模塊組成,形成一個(gè)閉環(huán),如圖2所示

4、。    模塊1的輸入為x5、x6和來(lái)自模塊3的四個(gè)脈沖t1、t2、t3、t4，雖然x5、x6都輸入模塊1，但是只有x6與此閉環(huán)有關(guān)，它們?cè)谀K1內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列邏輯單元處理，輸出為一系列脈沖，包括詢問(wèn)脈沖x（x=1，2，3，4）、寄存器詢問(wèn)脈沖、選擇脈沖、輸出自動(dòng)微調(diào)脈沖和其它脈沖。模塊2的輸入r是矩形波信號(hào)，輸出s類似于三角波。模塊3的主體是四個(gè)電位器和四個(gè)電壓比較器。四個(gè)電位器經(jīng)過(guò)精心調(diào)節(jié)在滑動(dòng)端形成四個(gè)等間隔的基準(zhǔn)電壓。四個(gè)電壓比較器將s和這些基準(zhǔn)電壓分別進(jìn)行比較，得到四個(gè)ttl電平脈沖信號(hào)t1、t2、t3、t4。t1、t2、t3、t4和s、r、x6

5、時(shí)序關(guān)系如圖3所示。    輸出脈沖與x6的時(shí)序關(guān)系如圖4所示。    (2)預(yù)處理裝置 預(yù)處理裝置包括模擬多路開關(guān)電路、求模電路、取符號(hào)電路和存儲(chǔ)電路，其組成如圖5所示。 x2（或x4）是雙極性信號(hào)，在被模擬多路開關(guān)電路選通后，通過(guò)求模電路變?yōu)檎龢O性信號(hào)，此正極性信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)電路進(jìn)行跟蹤/保持。另外，模擬多路開關(guān)電路的輸出信號(hào)還進(jìn)入取符號(hào)電路，得到符號(hào)位。 (3)模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置 該裝置包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)微調(diào)電路和自檢電路，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路又由四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成，如圖6所示。  &

6、#160; 圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換和微調(diào)自檢裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 sh進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊1，在其內(nèi)部被電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，分壓結(jié)果與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果被編碼，得到模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高兩位d7d6；設(shè)數(shù)字輸出d7×27+d6×26對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)幅度為u1，在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊1內(nèi)部，將sh和u1相減，輸出rm1=sh-u1，rm1進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊2，按同樣的方式得到d5d4；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4也完全類似，分別輸出d3d2（第3位和第2位）和d1d0（第1位和第0位）。這樣就得到了模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的8個(gè)數(shù)據(jù)位。 3 a/d轉(zhuǎn)換組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 新a/d轉(zhuǎn)換組合的幾何尺寸應(yīng)與引進(jìn)a/

7、d轉(zhuǎn)換組合吻合，輸入輸出接口特性應(yīng)與引進(jìn)a/d轉(zhuǎn)換組合完全一致。鑒于原a/d轉(zhuǎn)換組合采用分立元件和低集成度芯片設(shè)計(jì)，導(dǎo)致電路復(fù)雜，故障率高的缺點(diǎn)，本文采用高集成度的cpld芯片設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)a/d轉(zhuǎn)換組合。 3.1總體功能設(shè)計(jì) 新a/d轉(zhuǎn)換組合總體設(shè)計(jì)框圖如圖7所示，當(dāng)x5（自動(dòng)微調(diào)脈沖）為低電平時(shí)，地址形成邏輯形成的地址信號(hào)使模擬多路開關(guān)選通來(lái)自前端接收系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)x2（或x4）。x2（或x4）經(jīng)過(guò)模擬多路開關(guān)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理邏輯變換后，得到與原模數(shù)轉(zhuǎn)換組合碼制相同的10位輸出信號(hào)，即8位數(shù)據(jù)位、1位符號(hào)位和1位奇校驗(yàn)位。這10位信號(hào)經(jīng)寄存器鎖存

8、后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路送至后端計(jì)算系統(tǒng)。    點(diǎn)擊看原圖    當(dāng)x5為高電平時(shí)，地址形成邏輯形成的地址信號(hào)使模擬多路開關(guān)選通標(biāo)準(zhǔn)電壓電路提供的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓。標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路形成數(shù)字量，基準(zhǔn)自動(dòng)微調(diào)邏輯根據(jù)此數(shù)字量調(diào)整單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量，零點(diǎn)自動(dòng)微調(diào)邏輯根據(jù)此數(shù)字量調(diào)整雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)字量。單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出模擬量為模數(shù)轉(zhuǎn)換組合的基準(zhǔn)電壓，雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出模擬量為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的負(fù)模擬輸入端電壓。這樣就實(shí)現(xiàn)了通道1（或通道2）模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的自動(dòng)微調(diào)。 自檢檢測(cè)邏輯從寄存器取出對(duì)

9、標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，并與預(yù)存儲(chǔ)值比較，根據(jù)比較的結(jié)果確定通道1（或2）是否正常工作，并形成相應(yīng)的指示信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)通道1自我檢測(cè)邏輯輸出的指示信號(hào)和通道2自我檢測(cè)邏輯輸出的指示信號(hào)形成“通道1正常”信號(hào)、“通道2正?！毙盘?hào)和“轉(zhuǎn)換組合正?！毙盘?hào)，并送給后端計(jì)算系統(tǒng)。 x5（自動(dòng)微調(diào)脈沖）和x6（計(jì)數(shù)脈沖）分別通過(guò)二選一開關(guān)進(jìn)入緩沖及延遲電路，形成一組脈沖信號(hào)送入時(shí)序邏輯。時(shí)序邏輯根據(jù)此組脈沖信號(hào)形成系統(tǒng)正常工作所需的多種脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)處理邏輯、寄存器、地址形成邏輯、基準(zhǔn)自動(dòng)微調(diào)邏輯、零點(diǎn)自動(dòng)微調(diào)邏輯、自我檢測(cè)邏輯、時(shí)序邏輯都在xilinx公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?/p>

10、xc95108內(nèi)實(shí)現(xiàn)（圖7中每個(gè)虛線框代表一片xc95108）。通道1和通道2分別使用一片xc95108。 調(diào)試脈沖形成電路輸出x5a和x6a信號(hào)。在國(guó)產(chǎn)化模數(shù)轉(zhuǎn)換組合脫離戰(zhàn)車系統(tǒng)進(jìn)行維修時(shí)，通過(guò)二選一開關(guān)選通x5a信號(hào)和x6a信號(hào)以替代前端輸入的x5和x6，從而方便了該組合的維修。 3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)國(guó)產(chǎn)化a/d轉(zhuǎn)換組合的核心電路，需要精心設(shè)計(jì)。首先是a/d轉(zhuǎn)換芯片的選擇，根據(jù)引進(jìn)a/d轉(zhuǎn)換組合的工作原理，a/d轉(zhuǎn)換芯片需要滿足如下4點(diǎn)要求： （1）雙極性輸入； （2）分辨率9位； （3）最大采樣速率1.5msps； （4）無(wú)流水延時(shí)，且模數(shù)轉(zhuǎn)換在大約200ns內(nèi)完

11、成。 根據(jù)上述要求，同時(shí)考慮價(jià)格及功耗等因素，選擇逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換芯片ltc1412。ltc1412引腳說(shuō)明見有關(guān)技術(shù)資料。其典型用法如圖8所示。    電路設(shè)計(jì)中，ltc1412采用雙端輸入方式，即， 端輸入模擬多路開關(guān)送來(lái)的模擬信號(hào)， 端輸入雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路送來(lái)的微調(diào)信號(hào)。 接數(shù)字地，從而使ltc1412始終處于選通狀態(tài)。ltc1412的基準(zhǔn)電壓可由外部調(diào)節(jié)，變化范圍在1.25v和3v之間，此處使用外部基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓由單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供。 端由緩沖及延遲電路送來(lái)的采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。 原a/d轉(zhuǎn)換組合對(duì)x2（或x4）的采樣時(shí)刻相對(duì)于x6上升沿滯后約10ns，新設(shè)計(jì)a/d轉(zhuǎn)換組合也與此保持一致。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在輸入時(shí)鐘信號(hào)的下降沿采樣，而此輸入時(shí)鐘信號(hào)的下降沿相對(duì)于x6上升沿正好滯后約10ns。 ltc1412的所有正電源端均連接到+5v模擬電源，