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24位A/D轉(zhuǎn)換器CS5381及其在高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：CS5381中Cirrus Logic公司生產(chǎn)的120dB、192kHz高性能立體聲24位∑－△ A／D變換器，文中介紹了CS5381的性能特點(diǎn)及其在高速高精度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了由兩片AD5381和ASP、FP-GA及FIFO存儲(chǔ)器構(gòu)成的四通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和測(cè)試結(jié)果，該系統(tǒng)在混場(chǎng)源電磁法接收機(jī)中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：CS5381；DSP；FPGA；并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
１ 引言
在弱信號(hào)檢測(cè)儀器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選用高精度的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片往往可以給設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。一般情況下，在對(duì)寬頻帶弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，(范文先生網(wǎng)www.htc668.com收集整理)不僅要求ＡＤＣ具有大動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)對(duì)ＡＤＣ的采樣速率也提出了更高的要求。ＣＳ５３８１是目前市場(chǎng)上動(dòng)態(tài)范圍和采樣速率兩項(xiàng)指標(biāo)都很突出的一款２４位ＡＤＣ，它的推出為設(shè)計(jì)高速高精度采集系統(tǒng)提供了一個(gè)較好的解決方案。
２ ＣＳ５３８１的主要性能特點(diǎn)
ＣＳ５３８１是Ｃｉｒｒｕｓ Ｌｏｇｉｃ公司推出的１２０ｄＢ、１９２ｋＨｚ高性能立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片采用２４引腳ＴＳＳＯＰ或ＳＯＩＣ封裝，其引腳排列如圖１所示。該芯片采用５Ｖ工作電源。它的內(nèi)部集成了一個(gè)可直接與５～２．５Ｖ邏輯電平接口的電平轉(zhuǎn)換器、一個(gè)可消除直流偏移量的高通濾波器、一個(gè)線性相位數(shù)字抗混疊濾波器和溢流監(jiān)測(cè)器。ＣＳ５３８１所具有的這些特性使其在高品質(zhì)音頻處理和精密測(cè)控等領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。
ＣＳ５３８１的主要性能特點(diǎn)如下：
●具有２４位轉(zhuǎn)換精度；
●采樣速率可以達(dá)到１９２ｋＨｚ；
●具有１２０ｄＢ動(dòng)態(tài)范圍；
●可工作于５Ｖ模擬電壓和３～５Ｖ邏輯電壓；
●兼容２．５～５Ｖ邏輯電平；
●帶有線性相位抗混疊濾波器；
●采用差動(dòng)模擬信號(hào)輸入方式；
●具有主、從兩種工作模式；
●內(nèi)置數(shù)字高通濾波器。
圖2
ＣＳ５３８１使用起來(lái)非常方便，可工作在主、從兩種模式下。模式選擇可通過(guò)管腳２（Ｍ／ Ｓ）來(lái)進(jìn)行。當(dāng)Ｍ／ Ｓ引腳為高電平時(shí)，ＣＳ５３８１工作在主模式（Ｍａｓｔｅｒ Ｍｏｄｅ），此時(shí)ＬＲＣＫ（其頻率等于采樣速率）和ＳＣＬＫ是輸出管腳；而當(dāng)Ｍ／ Ｓ為低電平時(shí)，ＣＳ５３８１工作在從模式（Ｓｌａｖｅ Ｍｏｄｅ），該模式下，ＬＲＣＫ和ＳＣＬＫ變成輸入管腳。如需改變ＣＳ５３８１的采樣率，只需控制芯片的ＭＤＩＶ、Ｍ０和Ｍ１這三個(gè)管腳的邏輯電平即可。表１所列是主時(shí)鐘為２４．５７６ＭＨｚ時(shí)，不同控制方式時(shí)采樣速率的對(duì)照表。
表1 CS5381采樣率控制對(duì)照表
通常２４位ＡＤＣ都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的直流偏移，在ＣＳ５３８１內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字高通濾波器，可以通過(guò)給管腳ＨＰＦ提供一個(gè)低電平使該濾波器有效，這樣，芯片可以消除直流偏移。另外芯片還帶有溢流監(jiān)測(cè)器，當(dāng)模擬信號(hào)的輸入電壓幅度過(guò)大而致使ＡＤＣ轉(zhuǎn)換溢出時(shí)，相對(duì)應(yīng)的管腳ＬＦＶ變低，因此，在該管腳與電源之間接一個(gè)發(fā)光二極管，就可以直觀地顯示出模擬輸入是否溢出，從而根據(jù)需要調(diào)整前端放大電路的增益。
ＣＳ５３８１的模擬信號(hào)為差動(dòng)輸入方式，因此，它的前端要有一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬調(diào)理電路。ＣＳ５３８１的轉(zhuǎn)換結(jié)果是２４位補(bǔ)碼形式的串行數(shù)據(jù)，且左右通道交替輸出，可用ＬＲＣＫ的高低電平來(lái)進(jìn)行區(qū)分。輸出數(shù)據(jù)有兩種格式：左對(duì)齊和Ｉ２Ｓ。圖２是ＣＳ５３８１的兩種數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。
３ 四通道并行采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
圖３所示是一個(gè)四通道并行采集系統(tǒng)的整體框圖，該系統(tǒng)主要由ＴＭＳ３２０ＶＣ３３（以下簡(jiǎn)稱ＶＣ３３）、兩片ＣＳ５３８１、一片ＦＰＧＡ（ＥＰＦ１０Ｋ１０）和一個(gè)大容量ＦＩ-ＦＯ存儲(chǔ)器構(gòu)成。采集系統(tǒng)與主機(jī)的通訊采用ＵＳＢ接口。系統(tǒng)中的一片ＣＳ５３８１工作于主模式，另外一片則工作在從模式下，這樣可以保證兩片ＡＤＣ工作時(shí)嚴(yán)格同步。
在基于ＣＳ５３８１的采集系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)ＣＳ５３８１與ＴＭＳ３２０ＶＣ３３的接口是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。具體的設(shè)計(jì)方案有兩種：其一，由于ＣＳ５３８１采用同步串行數(shù)據(jù)輸出方式，而ＴＭＳ３２０ＶＣ３３具有多通道緩沖串口（ＭｃＢＳＰ），因此，可以較為容易地實(shí)現(xiàn)二者的硬件連接。其二是通過(guò)ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)串并轉(zhuǎn)換電路，并把ＣＳ５３８１輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，然后由ＴＭＳ３２０ＶＣ３３通過(guò)擴(kuò)展ＩＯ對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。這兩種方案相比，第一種方案比較簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)要設(shè)計(jì)四個(gè)獨(dú)立的同步采集通道，并要使用兩片ＣＳ５３８１，而ＴＭＳ３２０ＶＣ３３只有一個(gè)ＭｃＢＳＰ，所以此方案無(wú)法采用。第二種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)比較麻煩，硬件成本也較大。它通過(guò)把每片ＣＳ５３８１的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成８位并行數(shù)據(jù)并經(jīng)ＦＩＦＯ緩存，然后由ＴＭＳ３２０ＶＣ３３通過(guò)中斷和ＤＭＡ方式對(duì)四個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。
串并轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)是ＣＳ５３８１和ＴＭＳ３２０ＶＣ３３接口電路的核心部分，它負(fù)責(zé)將ＣＳ５３８１輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在ＦＩＦＯ中，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的ＦＩＦＯ寫信號(hào)。具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮以下三個(gè)問(wèn)題：
（１） 對(duì)于ＣＳ５３８１在左右通道的數(shù)據(jù)，除了２４位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)外，還應(yīng)輸出一個(gè)８位的附加信息，因此，輸出一道數(shù)據(jù)時(shí)，總共有３２個(gè)時(shí)鐘輸出，而最后８位數(shù)據(jù)是無(wú)用的，這樣，就需要有一個(gè)禁止邏輯來(lái)防止８位附加數(shù)據(jù)也寫入到ＦＩＦＯ中。
（２） 由于串行輸出時(shí)鐘ＳＣＬＫ在ＣＳ５３８１工作期間是一直存在的，因此，在啟動(dòng)和結(jié)束串并轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)該有一個(gè)控制邏輯來(lái)使串并轉(zhuǎn)換電路只有在ＬＲ-ＣＫ的上升沿（或者下降沿）觸發(fā)下才能進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以保證左右通道數(shù)據(jù)順序的確定性。
（３） 轉(zhuǎn)換電路要有使能控制，以便控制信號(hào)的采集時(shí)間。
４ 測(cè)試結(jié)果
該采集系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源進(jìn)行正弦信號(hào)采集測(cè)試，下面是對(duì)兩種頻率的正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果分析。其中第一種測(cè)試結(jié)果如圖４所示。對(duì)于１０ｋＨｚ的正弦信號(hào)，ＣＳ５３８１的主時(shí)鐘ＭＣＬＫ為２４．５７６ＭＨｚ、它具有６４倍的過(guò)采樣率（采樣速率ｆｓ＝ＭＣＬＫ／６４＝１９２ｋＨｚ），采樣時(shí)間Ｔ為１ｍｓ。由采樣結(jié)果和功率譜可以看出：系統(tǒng)中的ＣＳ５３８１采樣數(shù)據(jù)在頻率域的動(dòng)態(tài)范圍在１２０ｄＢ以上。
圖5
把系統(tǒng)采樣速率ｆｓ設(shè)置為３８４ｋＨｚ時(shí)，對(duì)７５ｋＨｚ正弦信號(hào)的采樣結(jié)果及功率譜估計(jì)如圖５所示，由采樣結(jié)果可以看出：ＣＳ５３８１可以在３８４ｋＨｚ的采樣速率下對(duì)更高頻率的信號(hào)進(jìn)行采樣，但從功率譜可以看出，此時(shí)動(dòng)態(tài)范圍及信噪比都在８０ｄＢ左右，可見(jiàn)采樣精度有較大幅度的降低。若要完成更高頻率信號(hào)的采樣，在對(duì)采樣精度要求不是特別高時(shí)，可以考慮采用這種方式。
由此可以看出，由ＣＳ５３８１構(gòu)成的這種采集系統(tǒng)具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，在混場(chǎng)源電磁法接收機(jī)中得到了很好的應(yīng)用，可以對(duì)帶寬為ＤＣ～７５ｋＨｚ、動(dòng)態(tài)范圍為１２０ｄＢ的電磁信號(hào)進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集。
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