1引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201810/392878.htmA/D轉換組合是雷達目標諸元數據轉換、傳輸的核心部件,一旦出現故障,目標信號將無法傳送到信息處理中心進行處理,從而導致雷達主要功能失效。某設備的A/D轉換設備結構複雜,可靠性差,可維修性差,故障率高,因此,採用CPLD技術和器件研究A/D轉換組合,改善該設備的總體性能。
2 A/D轉換組合工作原理剖析
A/D轉換組合作為武器系統的核心部件,接口特性和功能與武器系統的兼容,是新A/D轉換組合研製成功的前提,因此,必須對引進A/D轉換組合進行詳細的分析研究,提取接口特性及其參數,分析組合功能和性能指標。
2.1 組合工作原理及埠信號說明
原A/D轉換組合由五個裝置組成,這五個裝置形成兩個完全相同且互相獨立的通道。每個通道包括一個預處理裝置、一個模數轉換和微調自檢裝置,如圖1所示：A/D轉換組合與武器系統其它部分的電路連接埠有6個：埠1為電源埠,X2、X4為相互正交的輸入模擬信號,X5、X6為輸入脈衝信號,X3為輸出數位訊號。
輸入模擬信號X2和X4進入預處理裝置,形成便於A/D轉換的信號。此信號進入模數轉換和微調自檢裝置,得到輸出數位訊號X3。每個通道將輸入模擬信號數位化,在埠X3形成8個數據位和1個符號位,符號位與輸入模擬信號極性相對應。X3同時實現對兩個通通及整個組合的工作自檢。
為保證組合的正常工作,須向同步裝置輸入脈衝信號X5和X6。X6稱為「計數脈衝」,用作A/D轉換的時鐘。X5稱為「自動微調脈衝」,用於A/D轉換精度的微調和工作狀態的自檢。同步裝置根據X5和X6形成若干脈衝,這些脈衝分成完全相同的兩組同時送給兩個通道。
2.2結構組成分析
(1)同步裝置
同步裝置由三個子模塊組成,形成一個閉環,如圖2所示。
模塊1的輸入為X5、X6和來自模塊3的四個脈衝T1、T2、T3、T4,雖然X5、X6都輸入模塊1,但是只有X6與此閉環有關,它們在模塊1內經過一系列邏輯單元處理,輸出為一系列脈衝,包括詢問脈衝X(X=1,2,3,4)、寄存器詢問脈衝、選擇脈衝、輸出自動微調脈衝和其它脈衝。模塊2的輸入R是矩形波信號,輸出S類似於三角波。模塊3的主體是四個電位器和四個電壓比較器。四個電位器經過精心調節在滑動端形成四個等間隔的基準電壓。四個電壓比較器將S和這些基準電壓分別進行比較,得到四個TTL電平脈衝信號T1、T2、T3、T4。T1、T2、T3、T4和S、R、X6時序關係如圖3所示。
輸出脈衝與X6的時序關係如圖4所示。
(2)預處理裝置
預處理裝置包括模擬多路開關電路、求模電路、取符號電路和存儲電路,其組成如圖5所示。
X2(或X4)是雙極性信號,在被模擬多路開關電路選通後,通過求模電路變為正極性信號,此正極性信號進入存儲電路進行跟蹤/保持。另外,模擬多路開關電路的輸出信號還進入取符號電路,得到符號位。
(3)模數轉換和微調自檢裝置
該裝置包括模數轉換電路、自動微調電路和自檢電路,其中模數轉換電路又由四個模數轉換模塊組成,如圖6所示。
圖6 模數轉換和微調自檢裝置內部結構圖
SH進入模數轉換模塊1,在其內部被電阻網絡分壓,分壓結果與內部基準電壓進行比較,比較結果被編碼,得到模數轉換結果的最高兩位D7D6;設數字輸出D7×27+D6×26對應的模擬信號幅度為U1,在模數轉換模塊1內部,將SH和U1相減,輸出RM1=SH-U1,RM1進入模數轉換模塊2,按同樣的方式得到D5D4;模數轉換模塊3、模數轉換模塊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)。這樣就得到了模數轉換結果的8個數據位。
3 A/D轉換組合設計實現
新A/D轉換組合的幾何尺寸應與引進A/D轉換組合吻合,輸入輸出接口特性應與引進A/D轉換組合完全一致。鑑於原A/D轉換組合採用分立元件和低集成度晶片設計,導致電路複雜,故障率高的缺點,本文採用高集成度的CPLD晶片設計國產A/D轉換組合。
3.1總體功能設計
新A/D轉換組合總體設計框圖如圖7所示,當X5(自動微調脈衝)為低電平時,地址形成邏輯形成的地址信號使模擬多路開關選通來自前端接收系統的模擬輸入信號X2(或X4)。X2(或X4)經過模擬多路開關送入模數轉換電路進行轉換。模數轉換電路輸出的數位訊號經數據處理邏輯變換後,得到與原模數轉換組合碼制相同的10位輸出信號,即8位數據位、1位符號位和1位奇校驗位。這10位信號經寄存器鎖存後,通過驅動電路送至後端計算系統。
當X5為高電平時,地址形成邏輯形成的地址信號使模擬多路開關選通標準電壓電路提供的一個標準電壓。標準電壓進入模數轉換電路形成數字量,基準自動微調邏輯根據此數字量調整單極性數模轉換電路的輸入數字量,零點自動微調邏輯根據此數字量調整雙極性數模轉換電路的輸入數字量。單極性數模轉換電路的輸出模擬量為模數轉換組合的基準電壓,雙極性數模轉換電路的輸出模擬量為模數轉換電路的負模擬輸入端電壓。這樣就實現了通道1(或通道2)模數轉換精度的自動微調。
自檢檢測邏輯從寄存器取出對標準電壓進行模數轉換得到的數字量,並與預存儲值比較,根據比較的結果確定通道1(或2)是否正常工作,並形成相應的指示信號送入驅動電路。驅動電路根據通道1自我檢測邏輯輸出的指示信號和通道2自我檢測邏輯輸出的指示信號形成「通道1正常」信號、「通道2正常」信號和「轉換組合正常」信號,並送給後端計算系統。
X5(自動微調脈衝)和X6(計數脈衝)分別通過二選一開關進入緩衝及延遲電路,形成一組脈衝信號送入時序邏輯。時序邏輯根據此組脈衝信號形成系統正常工作所需的多種脈衝信號。數據處理邏輯、寄存器、地址形成邏輯、基準自動微調邏輯、零點自動微調邏輯、自我檢測邏輯、時序邏輯都在Xilinx公司的大規模可編程邏輯器件XC95108內實現(圖7中每個虛線框代表一片XC95108)。通道1和通道2分別使用一片XC95108。
調試脈衝形成電路輸出X5A和X6A信號。在國產化模數轉換組合脫離戰車系統進行維修時,通過二選一開關選通X5A信號和X6A信號以替代前端輸入的X5和X6,從而方便了該組合的維修。
3.2模數轉換電路的設計
模數轉換電路是整個國產化A/D轉換組合的核心電路,需要精心設計。
首先是A/D轉換晶片的選擇,根據引進A/D轉換組合的工作原理,A/D轉換晶片需要滿足如下4點要求：
(1)雙極性輸入;
(2)解析度≥9位;
(3)最大採樣速率≥1.5MSPS;
(4)無流水延時,且模數轉換在大約200ns內完成。
根據上述要求,同時考慮價格及功耗等因素,選擇逐次逼近式A/D轉換晶片LTC1412。LTC1412引腳說明見有關技術資料。其典型用法如圖8所示。
電路設計中,LTC1412採用雙端輸入方式,即, 端輸入模擬多路開關送來的模擬信號,%20端輸入雙極性數模轉換電路送來的微調信號。%20接數字地,從而使LTC1412始終處於選通狀態。LTC1412的基準電壓可由外部調節,變化範圍在1.25V和3V之間,此處使用外部基準,基準電壓由單極性數模轉換電路提供。 端由緩衝及延遲電路送來的採樣時鐘驅動。
原A/D轉換組合對X2(或X4)的採樣時刻相對於X6上升沿滯後約10ns,新設計A/D轉換組合也與此保持一致。模數轉換電路在輸入時鐘信號的下降沿採樣,而此輸入時鐘信號的下降沿相對於X6上升沿正好滯後約10ns。
LTC1412的所有正電源端均連接到+5V模擬電源,所有地端均連接到模擬地平面。雖然LTC1412的解析度為12位,但產品說明給出的評估板只是兩層板,因此在設計PCB版圖時也只使用兩層板。在PCB版圖上全部使用表貼電容進行濾波和去藕,可以在抑制噪聲方面起到重要作用。
4結束語
本文採用CPLD器件設計了新的A/D轉換組合,替代了原組合,同時提高了可靠性,改善了轉換位數、功耗等技術指標,已經定型並投入生產。