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哈工大数字电路课设
基于DSP的数据采集系统设计
单通道8位高速数据采集系统设计
学院:
电信学院
班级:
1105102班
姓名:
李毅
目录
一、设计任务指标分析3
1.1数据采集基本方法3
1.2ADC任务指标分析3
1.3DSP任务指标分析4
二、器件选择5
2.1数模转换器ADC的选择5
2.2DSP器件的选择6
2.3其他器件的选择7
三、分块原理叙述及设计9
3.1输入调理电路9
3.2电源与时钟电路10
3.3电平兼容电路10
3.4DSP控制电路11
四、原理图及PCB板12
4.1模数转换电路12
4.2电源时钟电路13
4.3DSP控制电路14
五、仿真程序14
六、参考文献15
摘要:
本文利用DSP的高速数据处理特性,结合ADS831这种高速单通道模数转换器实现模拟信号的采集与转化。
电路简单可靠且具有实用性,高速性。
同时通过DSP还可以外接诸如网口,存储器,显示器,USB等设备,实现采集数据的传输,十分方便。
1、设计任务指标分析
1.1数据采集基本方法
面对一个正弦波模拟信号
,为了能将这个信号导入数字系统,进行相关处理,我们要先将其离散化,即对这个信号每隔一段时间(定义为
)采样一次。
时间间隔
被称为采样间隔,其倒数
为采样频率,单位是SPS(SamplesperSecond,采样数/每秒)。
在时间点
,数字化后
的数值就被称为采样值。
如下图所示:
所谓数据采集,就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号,送入计算机,根据不同的需要由计算机进行相应的处理和计算,得到所需要的信息。
据此,我们得到如下的框图:
ADC为模数转换器,DSP为核心数字信号处理器,DAC为数模转换器,将DSP处理后输出的数字信号转化为模拟信号。
下面我们就各模块任务指标进行分析与讨论。
1.2ADC任务指标分析
ADC的主要任务指标为:
分辨率,采样频率(转换时间),接口方式及类型选择。
1、分辨率(Resolution)
分辨率指数字量化为一个最小量时模拟信号的变化量。
假设输出n位的ADC,就是能将输入的模拟电压分成
层,每层幅度即为一个量化单位
。
因为分辨率与参考电压和位数有关。
计算公式为:
V是参考电压,本项目中采用5V。
n为位数,由题目可知n=8。
代入上式有:
即输出电压最小变化量为0.0195。
二、采样频率(SampleRate)
根据采样定理,采样频率至少为信号频率的两倍才能使信号正确还原。
反过来说,若给定了采样频率,那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率为奈奎斯特频率。
在ADC中,采样频率表示此模块单位时间内能完成多少次采样,即完成一次模数转换所需时间的倒数。
在本项目中,由题目要求,采样频率为80MSPS。
3、接口方式
AD器件的接口方式有串行和并行两种。
并行口的特点是速度快,易于连接CPU总线,但耗费I/O口,且PCB连线较多。
串行口的特点是连线少,但速度稍慢。
本项目中考虑到高速的特性采用并行口的接口方式。
4、类型选择
ADC常见的类型有积分型,逐次比较型两大类。
积分型是将输入电压转换为时间或频率,由定时器/计数器获得数字值。
它的特点是结构简单分辨率高,但转换速率低。
逐次比较型是由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始顺序地对每一位将输入电压与DA输出进行比较,经n次比较获得输出数字值。
它的电路规模中等,但速度极快,功耗低,是当下主流。
1.3DSP任务指标分析
DSP,即数字信号处理器,是具有特殊结构的微处理器,具有专门的硬件乘法器,采用流水线操作,可以高速处理大量数据,在本项目中作为核心处理器存在。
DSP的主要指标就是其运算速度和存储空间。
衡量DSP的运算速度,可以根据指令周期,MAC时间,FFT执行时间等来看。
指令周期即为完成一次指令所需的时间,记为
,算法循环一次的时间为
,则DSP可以提供的最大运算量为
,该参数必须符合本项目实验要求(单通道8位80M采样)。
2、器件选择
2.1数模转换器ADC的选择
考虑到之前任务指标分析的数据,我采用TI公司生产的ADS831芯片。
ADS831是一款8位80M单通道CMOS工艺的模数转换器,采用单一5V电压工作,自带采样保持器,采用流水线结构,具有极高的采样频率的转换速度。
内部包含时钟电路、8位线性A/D核、校正逻辑单元、三态输出单元以及其内部参考源。
结构框图如下图所示:
具体特性有如下几点:
●8位分辨率
●INL,
●DNL,
●模拟输入带宽,300MHZ
●输入方式,单端或差分方式
●低功耗设计
该芯片各引脚及其功能如下表所示
引脚编号
引脚名称
引脚功能
1
GND
接地
2
B1
数据位1
3
B2
数据位2
4
B3
数据位3
5
B4
数据位4
6
B5
数据位5
7
B6
数据位6
8
B7
数据位7
9
B8
数据位8
10
CLK
时钟信号
11
RSEL
输入范围选择
12
*INT/EXT
内外参考选择
13
REFB
底部参考
14
REFT
顶部参考
15
CM
共模电压输出
16
*IN
互补输出
17
IN
模拟输入
18
GND
接地
19
+VS
5V电源
20
VDRV
逻辑驱动器电压输出
其时序图如下所示:
2.2DSP器件的选择
综合速度与连接难易度,DSP芯片选择TMS320C6713B。
该芯片为IO操作电平3.3V的浮点型数字信号处理器,有8个并行处理单元,分为相同两组。
体系结构采用超长指令字结构,单指令字长32位,总字长256位。
最高时钟频率为200MHZ,且8个单元共同处理时最大处理能力为1600MIPS。
内部结构如下图所示:
本芯片外围引脚共有208只,功能强大繁复,下面介绍在本项目中用到的引脚及其功能,见下表:
引脚编号
引脚名称
引脚功能
132
ED0
数据位1
131
ED1
数据位2
130
ED2
数据位3
129
ED3
数据位4
128
ED4
数据位5
127
ED5
数据位6
121
ED6
数据位7
122
ED7
数据位8
204
CLKIN
时钟输入
78
ECLKIN
外部输入时钟源
205
CLKMODE0
输入时钟源选择
16
CLKX0
同步时钟输出
132
AWE/SDWE/SSWE
存储器写使能端
2.3其他器件的选择
除去基本的ADC模块的DSP模块,本项目中还用到了其他的器件,其中最重要的是兼容工作电平芯片和运算放大器。
对于兼容工作电平芯片,我们选用的是74LVT245,这是一款兼容3.3V(DSP)和5V(ADC)的芯片,内部结构和引脚封装功能如下图:
引脚编号
引脚名称
引脚功能
1
DIR
方向控制输入
2,3,4,5,6,7,8,9
A0~A7
数据八位I/O
18,17,16,15,14,13,12,11
B0~B7
数据八位I/O
19
*OE
使能
10
GND
接地端
20
VCC
正电压供应
三者的联系关系框图见图。
运算放大器是用在调理电路当中,起到稳定模拟信号的作用。
我采用TI公司生产的OPA690。
相对于其他运放,OPA690具有灵活的输送范围。
单电源情况下是+5V 到 +12V。
双电源情况下是±2.5V 到 ±5V。
单位增益稳定为500MHz(G=1), 高输出电流为 190mA, 输出电压摆幅为±4,0v 高转换速率为1800V/us, 低电源电流为5.5mA 。
带宽可达200MHz,完全符合要求,其内部结构及引脚如下图所示:
3、分块原理叙述及设计
3.1输入调理电路
所谓信号调理,就是信号处理电路,把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、光强等。
但由于传感器信号不能直接转换为数字数据(因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化),因此,在变换为数字信号之前必须进行调理。
调理就是放大,缓冲或定标模拟信号等,使其适合于模数转换器(ADC)的输入。
然后,ADC对模拟信号进行数字化,并把数字信号送到中央处理的数字器件,以便用于系统的数据处理。
调理电路的主要部件就是集成运算放大器,将模拟输入稳定后输入ADC中,外围电路结构如下图所示
3.2电源与时钟电路
本项目中所涉及到的电压有两项,一项是ADC参考电压(5V),一项是DSP参考电压(3.3V)
利用无源电容和电解电容组成的稳压电路设计电源电路,从而实现稳定输入电压的作用。
电路结构如下图所示:
时钟电路采用100M有源晶振,连接外围电路实现100M振荡信号输出。
原理图如上所示。
3.3电平兼容电路
正如之前所说,需要在AD和DSP之间连接有关部件实现5V电压和3.3V电压的匹配。
原理与结构图之前已叙述,下面直接给出此部分的原理图:
3.4DSP控制电路
DSP在整个流程中的作用是存储采集数据,控制采样频率和驱动芯片。
将时钟电路与DSP时钟输入相连,实现时钟输入。
将时钟输出口CLKX连接AD芯片实现对AD采样的时钟控制。
将AWE连接驱动芯片使能端,实现对驱动芯片的控制,从而达到稳步采样的效果,实现时序控制。
整体原理图如下所示:
4、原理图及PCB板
4.1模数转换电路
4.2电源时钟电路
4.3DSP控制电路
5、仿真程序
仿真平台采用CCS5.4,调用汇编平台,程序如下:
.def_c_int00
.mmregs
.text
_c_int00:
ld#0h,DP
;STM#3000H,SP
rsbxAWE
nop
nop
nop
st#5000h,swwsr
ST#3087H,CLKMD
begst#3300h,AR0
rpt#1000
portr0h,*AR0+
;nop
nop
bbeg
.end
.end
六、参考文献
[1]ADS831--高速AD板原理图
[2]ADS831技术手册
[3]三恒星科技,TMS320C6713DSP开发与应用实例,电子工业出版社,2009
[4]汪小橙等,一种基于DSP的高速数据采集系统,武汉大学
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- 关 键 词:
- 哈工大 数字电路