基于FPGA的双极化信号的采集板设计
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该方案主要由双极化天线接收 243 MHz 和 406 MHz 信 号，通过模拟接收机得到中频信号，AD 采集板对中频信号进 行采集，最后经 FPGA 处理。由于双极化信号有水平极化和垂直极化之分，故采用双通道采样电路。ADC 的性能指标 [2] 必 须满足设计要求，因此选用 AD9226 高速 A/D 芯片。该芯片 理论上最高采样率可达 65 MSPS，采用12 位双通道高速采集 端。双极化采样电路主要硬件设计如图 1 所示。
2 关键硬件模块设计
2.1 信号衰减电路
衰减电路的作用是将输入电压的范围（-5 V +5 V）变 换到 (1 V 3 V)。电路采用145 MHz 的运算放大器 AD8065， 其性能优越，且 AD8065 电源电压的范围较宽，在 5 V 24 V 之间，它的带宽为 145 MHz, 可以只用一个电源供电。由于 AD8065 具有 0.02% 的差分增益和 0.02 度的相位误差等优 势，因此 AD8065 是该电路的最佳选择。该电路首先通过两级 TL072构成的电压跟随器和由AD8065构成的减法运算电路[3]。 在电路中，D4、D5 起输入电压保护作用，由 AD8065 构成 的减法运算电路的 +IN 接的下拉电阻 R30 为 2 kΩ，输入电阻 R6 为 18 kΩ，-IN 接的输入电阻 R18 为 2 kΩ，反馈电阻 R17 为 2 kΩ。V6B 为两级电压跟随器的最后输出，衰减电路需满足公 式 (2)。AD8065 构成的衰减电路如图 2 所示。
2.2 采样电路方案
在 A/D 转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连 续的，而输出的数字信号是离散的 , 所以转换只能在一系列 选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再将这些取样值转 换成输出的数字量 [4]。我们选择的 AD 芯片是 AD9226，在 AD9226 中，VREF 是基准电压输出端口，可提供 1 V 和 2 V 两种基准电压，通过 SENSE 来选择，当 SENSE 与 GND 连 接时，提供 2 V 基准电压 ；当 SENSE 与 VREF 连接时，提供1 V 基准电压。我们选择提供 2 V 基准电压的连接方式。在电 路中利用该 2 V 基准电压来设计衰减电路，当 AD9226 配置 为单端输入时，此时的输入电压为（+1 V～ +3 V），在此模式下， VREF 的基准电压为 2 V。AD9226 的配置电路如图 3 所示。
2.3 电源电路
由于该电路板需要 3.3 V 电源以及 -5 V 电源，3.3 V 电 源可以采用 5 V 电源通过 AMS1117 获得，由于 AMS1117[5] 是 一个正向低压降稳压器，在 1 A 电流下压降为 1.2 V， AMS1117 内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机 供电的最佳选择。-5 V 通过 MC34063A 组成电压反向电路获 得。该器件包含了 DC／ DC 变换器所需要的主要功能的单片 控制电路且价格便宜，它由具有温度自动补偿功能的基准电压 发生器、比较器、占空比可控的振荡器、R-S 触发器和大电流 输出开关电路等组成。因此，该电源电路采用该芯片作为电源 电路的设计方案。电源电路如图 4 所示。
2.4 PCB电路图布局
一块好性能的 PCB[6] 离不开优秀的布局，在 PCB 设计中， 只有先做好布局工作，才能完成后面的 PCB 布线工作。在 PCB 布局时，遵守以功能电路的核心组件为中心，保证零部件 离电路板边缘的距离不小于 2 mm 等规范。双极化信号采集板 PCB 图如图 5 所示。
3 FPGA 软件设计
可编程逻辑器件 FPGA为 Altera 公司的 Cyclone iV E 系 列 EP4CE40F23C8N 型号的 FPGA, 其核心工作电压为 1.2 V， 逻辑单元 39 600 个，可自定义 I/O 端口多达 329 个，记忆单元1 161 216 个，锁相环 4 个，全局时钟 20 个。FPGA 设计的软 件模块如图 6 所示。
FPGA 内部功能模块主要包括时钟模块、AD 控制模块、 数字滤波器模块、FIFO 数据缓冲模块、数据处理模块等。时 钟模块由 FPGA 的 ip 核 pll 模块产生时钟，AD 控制模块得到 时钟，将双极化天线的水平信号和垂直信号进行采样。最后通 过nios 配置的JTAG 模块 [7] 下载至开发板，进行在线逻辑分析。
4 测试结果
由于测试条件有限，采用实验室的信号发生器产生正弦 信号进行测试，该仪器产生两个信号，频率为 456 kHz，通过 AD 采集板采集后送至 FPGA 开发板，将控制程序通过 JTAG 下载至开发板经在线逻辑分析仪可得结果。测试图如图7所示。
5 结 语
通过图 7 可以得到，双极化信号首先通过信号发生器模 拟产生正弦数据，数据通过 AD 采集板采集后传入 FPGA，经 FPGA主控板控制，用在线逻辑分析仪得到的数据如信号发生 器所得数据。该结果说明该双通道的采集板具有良好的采集 功能。
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