基于带通采样定理的高速数据采集系统的硬件电路设计

基于FPGA 的高速数据采集系统设计摘要：基于可编程逻辑器件FPGA 和USB2.0芯片CY7C68013为核心的高速采集系统，设计了在FPGA 的控制下，的控制下，USB USB 接口模块、接口模块、AD AD 转换模块等协同工作下对输入信号的数据采集系统。

介绍了从硬件和软件两个方面来设计数据高速采集系统，重点说明了硬件设计的原理、重点说明了硬件设计的原理、固件程序的设计思想、固件程序的设计思想、固件程序的设计思想、应用程序的设计、应用程序的设计、应用程序的设计、固件下载固件下载驱动程序的开发，驱动程序的开发，USB USB 控制器CY7C68013的特性，通过VHDL 语言设计对USB 控制器的访问控制操作、制器的访问控制操作、USB USB 控制器固件程序设计、控制器固件程序设计、USB USB 驱动程序设计。

该系统可以实现对信号的高速采集，以实现对信号的高速采集，并通过并通过USB 总线与上位机通信，实现在Labview 控制界面下进行显示以及数据的存储，这种基于FPGA 的同步采集、实时读取采集数据的设计充分发挥了FPGA 和USB 的优点，提高系统采集和传输速度。

的优点，提高系统采集和传输速度。

关键词：FPGA ；USB2.0；高速采集；Labview High Speed Data Acquisition System Design Base on FPGA Abstract: Take the the logical logical logical component component component FPGA, FPGA, FPGA, USB2.0 USB2.0 USB2.0 chip chip chip and and and CY7C68013 CY7C68013 CY7C68013 as as cores.This system realize the high speed acquisition of input signal with the cooperation work of FPGA controller, USB connector and AD converter. Introducing from two aspects of hardware and software ,the design of high speed data acquisition System System focuses focuses focuses on on on the the the principle principle principle of of of hardware hardware hardware design, design, design, the the the firmware firmware firmware program program program design, design, application design, development of firmware download driver, USB controller CY7C68013 CY7C68013 characteristics characteristics characteristics realize realize realize the the the control control control of of of visit visit visit of of of USB USB USB controller controller controller and and and the the design of USB controller firmware program and USB driver.By means of USB bus and Upper Computer, the display and store of data can be achieved under the Labview control interface. The design of synchronous acquisition and real-time read give full play play to to to the the the advantages advantages advantages of of of FPGA FPGA FPGA and and and USB, USB, USB, improving improving improving the the the speed speed speed of of of acquisition acquisition acquisition and and transmission. KEYWORD: FPGA; USB2.0; Speed Acquisition ; Labview 目 录第一章 概述 (1)1.1项目背景及研究意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)第二章 总体方案设计 (2)2.1硬件总体方案设计 (2)2.2软件总体方案设计 (2)2.2.1 FPGA 程序流程图 (2)2.2.2 USB 芯片程序流程图 (2)2.2.3 LABVIEW 程序流程图 (3)第三章 硬件设计 (4)3.1 3.1 硬件原理设计........................................................................硬件原理设计 (4)3.2 3.2 芯片的选择...........................................................................芯片的选择 (5)3.2.1 FPGA 的选择 (5)3.2.2 USB 芯片选择 (5)3.2.3 A/D 的选择 (5)3.3硬件电路设计 (6)3.3.1 USB 芯片外围电路设计 (6)3.3.2 CPLD 电路设计 (7)3.3.3 AD 电路设计 (7)第四章 软件设计 (8)4.1 FPGA 程序设计 (8)4.2 USB 固件程序设计 (10)4.3上位机程序设计 (12)第五章 系统调试 (14)第六章 设计总结……………………………………………………………………17 附 录………………………………………………………………………………… 附录Ⅰ附录Ⅰ附录Ⅰ Protel Protel 原理图…………………………………………………………… 附录Ⅱ附录Ⅱ附录Ⅱ FPGA FPGA 顶层图………………………………………………………………第一章 概 述1.1 项目背景及研究意义随着信息技术的飞速发展，随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制和科学研究中已成为必不可少的部分，数据采集系统中主要关注的是精度和采样率的问题。

基于FPGA的高速数据采集系统设计武汉纺织大学毕业设计（论文）任务书课题名称：基于FPGA的高速数据采集系统设计完成期限： 2012年3月2日至2012年5月25日学院名称电子与电气工程学院专业班级电子082 学生姓名陈明秀学号 0803741084 指导老师王骏指导教师职称讲师学院领导小组组长签字一、课题训练内容采集系统的研制工作;以实现对模拟高频信号的处理和控制。

课题选用现场可编程逻辑器件FPGA技术，在Altera公司的Quartus II开发环境中应用VHDL 语言进行FPGA的编程与仿真，研究各模块的设计方法和控制流程，结合USB2.0总线接口技术，以期实现系统与PC机连接，在PC上对数据进行分析、显示和监控等，最后对系统性能指标进行验证。

1. 培养学生通过图书馆、互联网等资源查阅相关资料（包括外文资料），训练学生自主获得知识的能力和自学能力；2. 培养学生把所学的知识用于实践并引申到相关专业知识上，锻炼出自学能力；3. 锻炼学生外文阅读及翻译能力；4. 锻炼学生的自我创新能力；5. 在书写论文的过程中，锻炼学生的语言组织能力、逻辑思维能力、办公软件使用的能力；6. 培养学生与人合作、相互交流的能力。

二、设计（论文）任务和要求1. 大量收集与本课题有关的资料：到图书馆、各大书店寻找无线充电技术以及相关电路的资料，并认真进行阅读；到各大数据库和相关网站上搜索与本课题相关的学位论文和相关资料。

2. 第四周前上交毕业设计开题报告一份。

开题报告内容与学校模板要求一致，字数不少于2000字；经指导教师检查合格后才能进行后续工作。

3. 理清论文的总体思路，完成主要的研究工作：1)以CY7C68013为核心，设计一个FPGA的最小系统，并在此基础上通过编写VHDL程序进行系统的开发。

2)对数据采集，高频电路设计信号和电源完整性设计。

3)提高数据采集总体设计方案。

4)结合USB2.0接口的控制器CY7C68013芯片，采集系统进行硬件设计。

基于FPGA和CPCI的数据采集系统硬件电路设计作者：金海平刁节涛来源：《数字技术与应用》2013年第04期摘要：本文设计了基于FPGA的CPCI总线的数据采集系统硬件电路。

关键词：FPGA CPCI 高速通信电路设计中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0091-03在工业现场信号采集处理领域里，随着数据量和对环境要求苛刻性的不断增加，对于数据采集处理平台的要求也不断提高。

将CPCI架构应用到数据采集处理平台，其本身所具有的通用性、热插拔、可扩展性、高可靠性等特性非常适合数据采集处理系统。

为了提高数据采集和处理效率，数据采集系统以FPGA为处理核心，加上高性能的数据转换芯片，实现各种信号的实时采集处理。

这种采用FPGA+CPCI总线混用的硬件系统把几个方面的优点结合到一起，既兼顾了速度和灵活性，又满足了底层数据实时同步采集和高层数据狭速运算的要求。

本文重点介绍基于FPGA和CPCI的数据采集系统的硬件电路设计与功能实现。

1 系统硬件框图高速数据采集系统的硬件原理框图1所示。

由上图可知，高速数据采集系统主要由以下电路组成：多路开关控制电路、模拟信号调理电路、FPGA控制电路、存储电路、CPCI转换接口。

2 具体的硬件电路设计2.1 多路通道选择电路设计集成多路模拟开关芯片是程控增益放大等常用器件，其性能的好坏对系统的设计指标有着重要的影响。

在这里我们从经济和性能角度出发，选择ADI公司的ADG508。

ADG508为单芯片CMOS 模拟多路复用器。

ADG508根据3位二进制地址线A0、A1和A2所确定的地址，将8路差分输入之一切换至公共差分输出。

所有器件均提供EN输入，用来使能或禁用器件。

禁用时，所有通道均关断[1]。

ADG508均采用增强型LC2MOS 工艺设计，适合高速数据采集系统和音频信号开关应用。

接通时，各通道在两个方向的导电性能相同，输入信号范围可扩展至电源电压范围。

基于超高速数据总线的数据采集分发系统设计随着现代科技的快速发展，数据采集和分发的需求也日益增加。

在过去，数据采集和分发的过程往往需要花费大量的时间和人力资源，但是随着数据总线技术的成熟，现在我们可以设计出一套高效的数据采集分发系统，帮助我们更快更精准地完成这项工作。

一、超高速数据总线技术超高速数据总线是一种新型的数据传输技术，它利用高速的数据通信线路实现对数据的快速传输。

与传统的数据总线相比，超高速数据总线的传输速度更快，传输距离更长，传输带宽更大，能够满足现代数据采集和分发的需求。

在实际应用中，超高速数据总线可以通过不同的物理介质实现，例如电缆、光缆等。

根据传输速度和可靠性的要求，我们可以选择不同的物理介质。

二、数据采集分发系统的设计基于超高速数据总线技术，我们可以设计出一套高效的数据采集分发系统。

该系统主要包括以下几个部分：1、数据采集模块：该模块负责采集各种类型的数据，并将数据转换成数字信号后传输到总线上。

2、总线控制模块：该模块负责对总线进行控制和管理，包括数据传输的优先级、数据包的捕获和排序、以及总线的错误检测和纠正等功能。

3、数据分发模块：该模块负责接收总线上传输的数据，根据数据类型和目的地进行分类和分发，将数据传输到指定的设备或者存储设备中。

4、数据存储模块：该模块负责接收和存储采集和分发的数据，包括实时数据、历史数据以及数据分析结果等。

在设计数据采集分发系统的过程中，我们需要考虑以下几个方面：1、系统实时性要求：由于数据采集和分发是实时进行的，因此系统需要具备较高的实时性能力。

2、系统可靠性要求：数据采集和分发的过程中，任何错误都可能导致数据的丢失或者误差，因此系统需要具备较高的可靠性能力。

3、系统可扩展性要求：在未来，我们需要根据实际需求不断扩充系统的功能和容量，因此系统需要具备较高的可扩展性能力。

4、系统安全性要求：数据采集和分发的过程中，涉及到大量的敏感数据，因此系统需要具备较高的安全性能力，保证数据的安全和隐私。

基于FPGA的高速数据采集器摘要:介绍了一种基于FPGA的高速数据采集器,给出了系统方案设计,并对系统各部分电路设计进行了详细介绍。

对高速数据采集系统中串并转换功能的实现方法进行了详细阐述。

该高速数据采集器由于采用了FPGA+DSP平台设计,使得该系统具有较强的通用性和应用价值。

关键词:高速数据采集FPGA 带通采样串并转换随着数字信号处理技术的迅猛发展,数字设备逐渐取代模拟设备。

而数据采集技术作为现代检测技术的基础,越来越多地被应用于雷达、通信、遥感、智能仪器等各个领域。

随着数据采集技术的广泛应用,人们对其技术指标的要求也越来越高,包括采样速率、分辨率、存储量和实时性等技术指标。

数据采集系统发展的趋势是往高速高分辨率方向发展,但是受到器件和工艺的限制,特别是采样速率和分辨率这一矛盾指标的限制,实现高速高分辨率的采样系统依然具有一定的难度。

目前国外高速采集器的采样速率可以达到几十GSPS,但国内尚不具备该类型的高速采集器。

本文设计了一种基于FPGA的高速数据采集器,由于采用了AT84AS003作为采样芯片,因此该高速数据采集器可实现1GSPS的采样速率,同时其分辨率可达到10bit。

该高速数据采集器的数据存储、处理均可以在FPGA内部实现,具有设计方便、灵活的特点。

1 高速数据采集理论及技术高速数据采集系统的理论基础是低通采样定理和带通采样定理。

1.1 低通采样定理低通采样定理即Nyquist第一采样定理,假设有一模拟信号x(t),其带宽限制在(0,fm),以采样频率fs进行等间隔采样,当fs≥2fm时,该模拟信号可由采样值无失真恢复。

当fm较大时,往往对采样速率fs要求较高,即需要A/D转换器采样速率较高,这样对器件提出了较高要求。

1.2 带通采样定理假设一个频率带限信号,频率范围(),如果,如果按照低通采样定理,则要求采样速率较高,至少,这不仅对A/D转换器采样速率较高,同时对后续信号的实时处理要求过高,不便于实现。

基于ＵＳＢ的多通道高速数据采集系统设计作者：吴诗豪来源：《管理观察》2009年第10期摘要：介绍了一种基于USB的多通道高速数据采集系统，给出了系统实现的具体方案，并对各部分硬件电路的设计进行了阐述。

对FPGA内部各主要功能模块设计做了简要介绍。

该系统可以在硬件平台不变的情况下，通过改变软件程序实现不同功能和技术指标的系统，具有较高的通用性和实用价值。

关键词：多通道数据采集 USB1.引言随着大规模集成电路与计算机科学技术的发展，数据采集技术将在雷达、通信、水声遥感、语音处理、智能仪器、工业自动化以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用。

USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)是一种计算机和外部设备进行通信连接的新型接口，具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、使用灵活、兼容性好的特点[1]。

本设计采用AD9239实现四通道数据采集，其采样速率可达到200MHz，采集后的数据穿行送入FPGA中，完成数据采集后的存储与预处理，对处理后的数据通过USB接口实现与PC 机之间通信。

为了可以产生200MHz的时钟电路，本设计采用了ADI公司AD9516实现所需要的时钟[2]。

2.系统工作原理及组成该多通道高速数据采集系统主要包括了AD9516系统时钟产生电路、信号调理电路、模拟数字转换电路、FPGA及其外围电路以及USB接口电路。

具体的多通道高速数据采集系统原理框图如图1所示。

2.1 时钟电路设计AD9516是一款集低相位噪声时钟发生和低抖动14通道时钟分配功能于一体的时钟分配器。

其内部集成1个整数N分频的频率合成器、2个参考输入端、1个压控振荡器(VCO)、可调延迟线和14个时钟驱动器,还包括LVPECL、LVDS和CMOS输出。

另外,片内集成的VCO 可提高系统可靠性。

14个输出通道分别为6路(3对)时钟可高达1.6 GHz的LVPECL输出和4路(2对)时钟高达800 MHz的LVDS输出,LVDS时钟输出可选为高达200 MHz的两通道CMOS 输出。

高速数据采集系统信号调理电路的设计上海交通大学电子信息与电气工程学院(200030)　乔　巍　杜爱玲　陈　春　叶　生摘　要　文章针对基于微控制器和PC 的高速数据采集系统,在讨论了信号调理电路功能及必要性的基础上,给出了包括信号放大、衰减、隔离和滤波的设计方案,并对滤波电路的拓扑设计进行了研究。

此外,针对广泛存在的电力信号采集与分析,以电能质量为分析、研究对象,给出了基于Sallen 2Key 和状态变量拓扑的滤波方案。

对高速数据采集系统精度的提高和采集设备的保护具有实际意义。

关键词　信号调理　高速数据采集　Sallen 2Key 拓扑　状态变量拓扑 目前,基于微控制器及基于PC 和内插板卡的数据采集系统在很大领域内得到了应用[1]。

数据采集卡和微控制器前端的高速A/D 转换作为信号采集设备非常适合用来测量电压信号。

但是,许多传感器和变送器输出的信号必须经过调理之后,才能进入数据采集卡、高速A/D 转换器或设备,以实现有效精确的测量。

这种前端的预处理,一般就称为信号调理,包括信号放大衰减、滤波、电气隔离和多路技术。

图1为基于PC 和内插板卡的数据采集系统框图[2]。

图1　基于PC 和内插板卡的数据采集系统框图1　信号调理电路的组成1.1　放大衰减电路由于很多信号幅度比较小,所以需要通过放大器来提高测量的精度。

放大器通过匹配信号电平和A/D 转换器的测量范围,来达到提高测量分辨率的目的。

出于这个原因,现在许多数据采集卡都包括了板载放大器。

同样情况,当需要数字化的电压超过了允许输入范围时,衰减就不可缺少了。

1.2　隔离电路数据采集系统中不合适的接地是造成测量问题和数据采集卡损坏的最普遍原因。

对信号进行电气隔离可以防止这些问题的发生。

隔离破坏了接地环路,避免了高的共模电压,并且保护了价格不菲的数据采集设备。

通常的隔离方法有利用光耦、磁或者容性隔离器。

磁或容性隔离器将信号从电压形式调制成频率形式。

频率能够在转回成电压之前以非直接物理连接的方式通过变压器或者电容。

基于ISA的高速数据采集系统的设计【摘要】在我国常用的通道式数据接收机中，实现波形处理主要依靠高速数据采集系统。

在本文实践研究中，笔者在设计一个能够基于ISA总线的高速数据采集系统，采用了目前应用比较广泛的先进先出（FIFO）、A/D转换器，该系统的数据采集频率可达到50MHz，同时在数据采集与主机异步数据传送时采用I、Q正交双通道结构；系统设计完成之后分析系统的ADC动态特性，分析结果显示系统高速数据采集系统的设计完全能够满足系统预期指标。

【关键词】高速ADC；动态特性；ISA总线引言随着科学技术的发展和数据采集系统的广泛应用，针对数据采信系统人们提出了更高的要求，其主要包括采样频率、精度、分辨率、控制方式及输入电压范围等方面的主要技术指标。

本研究中，笔者在介绍数据采集技术的一些基本概念的基础上，重点讨论高速数据采集系统的设计和实现，并对系统的ADC动态特性进行了分析。

1、数据采集基本技术所谓数据采集，是指采集一些模拟信号（模拟量）将其转换为数字信息（数字量），然后再经储存、处理及显示的整个过程。

如下图1-1为典型的数据采集系统框图。

如上图1-1所示，我们假设通过数据采集系统采集多路模拟量，对A/D转换器与各路模拟量之间的通道采用模拟多路开关进行轮流切换，从而使其在一个特定的时间内，只有一路模拟量信号能够输入到A/D转换器，以此达到分时转换的目的。

A/D转换器为采样通道的核心，它决定着数据采集的精度和速度这两大指标因素。

1.1数据采集的相关参数分析数据采集中所涉及到的采样定理、编码、量化过程及误差、采样方式等数据采集中的一些基本概念，以下将进行分析介绍。

（1）信号采样、量化及编码通常一个带宽模拟信号x（t）根据采样定理限制在0～fm，均匀采样值由唯一的一系列时间间隔不大于1/2fm秒进行确定。

这在信号为最高频率的情况下，相当于每一周期提最采样值最少要两个，Xs（nT）为设采样后所得到的采样信号，采样间隔为Ts。

高速adc采集电路设计高速ADC（模数转换器）采集电路的设计涉及到多个关键组件和参数，这些都需要仔细考虑和优化以确保性能。

以下是一个简化的高速ADC采集电路设计流程：1.选择ADC类型:根据需要，选择适合的高速ADC，例如并行ADC、逐次逼近寄存器（SAR）ADC、流水线ADC等。

每种类型都有其特性和应用场景。

2.确定规格:确定ADC的规格，包括分辨率（位数）、转换速率、输入范围、功耗等。

这些参数将影响电路设计。

3.设计参考电压和基准电路:ADC需要一个稳定的参考电压。

设计一个低噪声、低失真、低抖动的参考电压和基准电路。

4.输入电路设计:根据ADC的输入要求，设计适当的输入电路。

这可能包括缓冲器、去耦电容、抗混叠滤波器等。

5.时钟分配:为ADC提供稳定的时钟信号，并确保时钟网络的分布是低噪声和低抖动的。

6.电源和地平面:设计适当的电源和地平面，以确保ADC的稳定运行和低噪声性能。

7.数字接口:如果ADC有数字输出，设计适当的数字接口。

这可能包括数据总线、地址总线、控制总线等。

8.噪声和电磁兼容性(EMC)考虑:在高速ADC中，噪声和EMC问题可能更为突出。

进行电磁仿真，并采取措施减少辐射和传导干扰。

9.版图和布局考虑:在绘制版图和布局时，考虑信号路径、电源和地平面、去耦电容的最佳放置等。

10.测试和验证:在实际制造之前，使用仿真工具验证设计的正确性。

制造样品进行测试，以确保满足规格和性能要求。

11.优化和迭代:根据测试结果，对设计进行必要的调整和优化。

这可能包括更改元件值、优化布局、改进去耦策略等。

12.文档和归档:整理所有设计文档，以便于未来的维护和修改。

请注意，高速ADC采集电路设计是一个复杂的过程，需要深入的电子工程知识以及对模拟和数字电路设计的理解。

建议在进行此类设计时咨询或雇佣有经验的电子工程师或专家。