摘要：參考數字式超低頻寬帶頻率特性測試儀中的相關技術指標，采用了凌力爾特公司的LTC2207芯片對數據進行采集。本文描述了LTC2207芯片的功能特性、時序控制方式和基本工作原理，在S3C2440和EP3C25處理器的控制下實現了LTC2207的采集應用，并給出了LTC2207的硬件和軟件設計。
關鍵詞：LTC2207；S3C2440；采集系統

引言
    數據采集技術是一種流行且實用的電子技術。它廣泛應用于信號檢測、信號處理、儀器儀表等領域。近年來，隨著數字化技術的不斷發(fā)展，數據采集技術也呈現出速度更高、通道更多、數據量更大的發(fā)展趨勢。
    本設計中數據采集系統的核心器件是凌力爾特公司的A／D轉換芯片LTC2207。本文研究了在ARM核S3C2440芯片和FPGA的控制下對直流數據和正弦信號的采集應用，并進行了相關的仿真驗證。

1 LTC2207芯片介紹
1．1 LTC2207的功能特性
    LTC2207是16位A／D轉換器，它的采樣速率為105Msps。LTC2207是針對輸入頻率為700 MHz的高頻、寬動態(tài)范圍信號進行數字化處理而設計的。它可以利用PGA前端(輸入范圍為1．5Vp-p或2．25Vp-p)對該ADC的輸入范圍進行優(yōu)化。
    LTC2207非常適合于要求苛刻的通信應用。它的AC性能包括78．2 dB噪聲層和100 dB無雜散動態(tài)范圍(SFDR)；250 MHz時SFDR>83 dB(輸入范圍為1．5Vp-p時)；80fSRMS的超低抖動實現了高輸入頻率的欠采樣和卓越的噪聲性能；最大DC規(guī)格包括整個溫度范圍內的±4LSB INL、±1LSB DNL(無漏失碼)。
    LTC2207具有單一的3．3 V供電電源，單一的電源允許CMOS輸出擺幅為0．5～3．6 V。它同時具有700MHz全功率帶寬S／H(采樣及保持)，可選的內部抖動和數據輸出(Randomizer)隨機函數發(fā)生器，功耗為900 mW。LTC2207可利用正弦波時鐘、PECL、LVDS、TTL或CMOS輸入對ENC+和ENC-輸入進行差分或單端驅動?？扇芜x的時鐘占空比穩(wěn)定器在全速和多種時鐘占空比條件下實現了高性能。
    LTC2207的引腳說明略一一編者注。
1．2 LTC2207的時序說明
    LTC2207時序圖如圖1所示。LTC2207是帶有前端PGA的CMOS多步轉換器。模擬輸入是差分信號以提高共模噪聲抑制，最大限度地利用輸入范圍。此外，差分輸入信號可以降低取樣保持電路的諧波。編碼輸入也比共模抑制輸入具有更強的抗干擾能力。

    LTC2207的采集取決于ENC+／ENC-輸入引腳的狀態(tài)，由圖1可知LTC2207在ENC+引腳的上升沿時(ENC-引腳的下降沿時)采樣模擬輸入信號。它有5個流水線模數轉換階段，經過7個周期后，一個模擬采樣輸入就會轉換為一個數字值。數字輸出上／下溢出則由OF引腳上的邏輯高電平表示。
    此A／D轉換器有一個延遲的編碼輸入作為數字輸出，提供了CLKOUT+和CLKOUT-兩信號；需要使用正弦時鐘編碼信號CLKOUT+／CLKOUT-將數據同步轉換到數字系統。數據在CLKOUT+的上升沿或CLKOUT-的下降沿鎖存，在CLKOUT+下降沿和CLKOUT-上升沿時更新。

2 硬件電路設計
    信號采集部分主要完成對模擬信號的調理和A／D轉換芯片的采集。A／D轉換芯片的輸入信號是差分的，而被采集的信號是單端的，這就需要把單端信號轉換成差分信號。輸入的信號經過MAX4201緩沖后，由差分驅動器AD8131轉換成差分信號，驅動A／D轉換芯片LTC2207。
    采用LVDS轉發(fā)器MAX9150轉換FPGA所給的時鐘信號，作為LTC2207的采集控制信號ENC。MAX9150的轉換電路如圖2所示。

    LTC2207的模擬差分信號輸入前端的調理芯片采用低噪聲、低功耗、超高速開環(huán)緩沖器MAX4201和高速差分驅動器AD8131。采集輸入信號的前端調理電路如圖3所示。圖中MAX4201采用±5 V供電，對地并聯的電容給電源濾波，為緩沖器提供無干擾的電源。緩沖后的信號，由MAX 4201的5引腳輸出，其輸出阻抗是50 Ω，再經過AD8131完成單端到差分的轉換。

    LTC2207的采集控制電路如圖4所示。其中，AIN+、AIN-為差分模擬輸入信號；ENC+、ENC-為采集芯片的時鐘控制信號；D0～D15為16位數據輸出信號；CLKOUT+、CLKOUT-為時鐘輸出信號。

3 ARM與FPGA的編程控制
    采用硬件描述語言Verilog HDL，對LTC2207相關引腳的使能以及FPGA如何讀取采集來的數據的程序如下：




4 仿真驗證
    采用QuartusII軟件中的調試工具SignalTapII邏輯分析儀進行仿真驗證。當采集輸入為0．453 V直流量時，FPGA采集的數據仿真如圖5所示。
    可以觀察數據3337h、3333h、332Bh、3337h等變化不大，僅在低5位有所變化。根據A／D采集原理，輸入電壓／參考電壓=采樣值／216。所給參考電壓是2．25 V，采樣值若取以上數據中的3 334h(在相對穩(wěn)定的數據中任取一個)，轉換成十進制為13 108，代入以上公式：13108×2．25／65536=0．45。得到FPGA讀到的數據計算的輸入電壓是0．45 V，而此時測得的實際輸入電壓是0．453 V。誤差很小，約為0．6％，基本由噪聲所致，采得的數據比較精確。
    當采集輸入為1．125 V直流量時，FPGA采集來的數據仿真如圖6所示。同理若取其中的7FE0h，此時算得的誤差約為0．8‰。
    當采集輸入為1．16 V直流量時FPGA采集來的數據仿真如圖7所示。

    從圖中可發(fā)現此輸入下數據已經達到滿值(輸入超過1．125 V)，OF為高，說明數據有溢出。
    當采集輸入是由信號發(fā)生器給的200 kHz正弦信號時FPGA采集來的數據仿真如圖8所示。
    由一個周期采樣點數公式N=Tsig／Tsam=fsam／fsig，知此輸入頻率下采樣點數為40 MHz／200 kHz=200，若看坐標-250處的OF17h，則找出一個周期后的那個數是不是和初始值相同。FPGA坐標為150時的數據仿真如圖9所示。它處在坐標150的位置為OF07h，和OF17h相差很小。取對應的多組數觀察都證明對模擬信號的數據采集亦是比較正確的。

結語
    針對A／D轉換芯片LTC2207，詳細描述了以FPGA和ARM作為控制器的采樣設計。采用FPGA直接對A／D進行配置，避免了采用DSP、單片機等進行配置的傳統方式，因而設計靈活、簡單、通用性強。通過對采集來的數據進行仿真驗證，發(fā)現在ARM和FPGA的控制下16位A／D芯片LTC2207得到了很好的采集應用。