A/D转换组合工作原理剖和结构组成分析

1引言

A/D转换组合是雷达目标诸元数据转换、传输的核心部件,一旦出现故障,目标信号将无法传送到信息处理中心进行处理,从而导致雷达主要功能失效。某设备的A/D转换设备结构复杂,可靠性差,可维修性差,故障率高,因此,采用CPLD技术和器件研究A/D转换组合,改善该设备的总体性能。

2 A/D转换组合工作原理剖析

A/D转换组合作为武器系统的核心部件,接口特性和功能与武器系统的兼容,是新A/D转换组合研制成功的前提,因此,必须对引进A/D转换组合进行详细的分析研究,提取接口特性及其参数,分析组合功能和性能指标。

2.1 组合工作原理及端口信号说明

原A/D转换组合由五个装置组成,这五个装置形成两个完全相同且互相独立的通道。每个通道包括一个预处理装置、一个模数转换和微调自检装置,如图1所示：A/D转换组合与武器系统其它部分的电路连接端口有6个：端口1为电源端口,X2、X4为相互正交的输入模拟信号,X5、X6为输入脉冲信号,X3为输出数字信号。

输入模拟信号X2和X4进入预处理装置,形成便于A/D转换的信号。此信号进入模数转换和微调自检装置,得到输出数字信号X3。每个通道将输入模拟信号数字化,在端口X3形成8个数据位和1个符号位,符号位与输入模拟信号极性相对应。X3同时实现对两个通通及整个组合的工作自检。

为保证组合的正常工作,须向同步装置输入脉冲信号X5和X6。X6称为“计数脉冲”,用作A/D转换的时钟。X5称为“自动微调脉冲”,用于A/D转换精度的微调和工作状态的自检。同步装置根据X5和X6形成若干脉冲,这些脉冲分成完全相同的两组同时送给两个通道。

2.2结构组成分析

(1)同步装置

同步装置由三个子模块组成,形成一个闭环,如图2所示。

模块1的输入为X5、X6和来自模块3的四个脉冲T1、T2、T3、T4,虽然X5、X6都输入模块1,但是只有X6与此闭环有关,它们在模块1内经过一系列逻辑单元处理,输出为一系列脉冲,包括询问脉冲X(X=1,2,3,4)、寄存器询问脉冲、选择脉冲、输出自动微调脉冲和其它脉冲。模块2的输入R是矩形波信号,输出S类似于三角波。模块3的主体是四个电位器和四个电压比较器。四个电位器经过精心调节在滑动端形成四个等间隔的基准电压。四个电压比较器将S和这些基准电压分别进行比较,得到四个TTL电平脉冲信号T1、T2、T3、T4。T1、T2、T3、T4和S、R、X6时序关系如图3所示。

输出脉冲与X6的时序关系如图4所示。

(2)预处理装置

预处理装置包括模拟多路开关电路、求模电路、取符号电路和存储电路,其组成如图5所示。

X2(或X4)是双极性信号,在被模拟多路开关电路选通后,通过求模电路变为正极性信号,此正极性信号进入存储电路进行跟踪/保持。另外,模拟多路开关电路的输出信号还进入取符号电路,得到符号位。

(3)模数转换和微调自检装置

该装置包括模数转换电路、自动微调电路和自检电路,其中模数转换电路又由四个模数转换模块组成,如图6所示。

图6 模数转换和微调自检装置内部结构图

SH进入模数转换模块1,在其内部被电阻网络分压,分压结果与内部基准电压进行比较,比较结果被编码,得到模数转换结果的最高两位D7D6;设数字输出D7×27+D6×26对应的模拟信号幅度为U1,在模数转换模块1内部,将SH和U1相减,输出RM1=SH-U1,RM1进入模数转换模块2,按同样的方式得到D5D4;模数转换模块3、模数转换模块4也完全类似,分别输出D3D2(第3位和第2位)和D1D0(第1位和第0位)。这样就得到了模数转换结果的8个数据位。

3 A/D转换组合设计实现

新A/D转换组合的几何尺寸应与引进A/D转换组合吻合,输入输出接口特性应与引进A/D转换组合完全一致。鉴于原A/D转换组合采用分立元件和低集成度芯片设计,导致电路复杂,故障率高的缺点,本文采用高集成度的CPLD芯片设计国产A/D转换组合。

3.1总体功能设计

新A/D转换组合总体设计框图如图7所示,当X5(自动微调脉冲)为低电平时,地址形成逻辑形成的地址信号使模拟多路开关选通来自前端接收系统的模拟输入信号X2(或X4)。X2(或X4)经过模拟多路开关送入模数转换电路进行转换。模数转换电路输出的数字信号经数据处理逻辑变换后,得到与原模数转换组合码制相同的10位输出信号,即8位数据位、1位符号位和1位奇校验位。这10位信号经寄存器锁存后,通过驱动电路送至后端计算系统。

当X5为高电平时,地址形成逻辑形成的地址信号使模拟多路开关选通标准电压电路提供的一个标准电压。标准电压进入模数转换电路形成数字量,基准自动微调逻辑根据此数字量调整单极性数模转换电路的输入数字量,零点自动微调逻辑根据此数字量调整双极性数模转换电路的输入数字量。单极性数模转换电路的输出模拟量为模数转换组合的基准电压,双极性数模转换电路的输出模拟量为模数转换电路的负模拟输入端电压。这样就实现了通道1(或通道2)模数转换精度的自动微调。

自检检测逻辑从寄存器取出对标准电压进行模数转换得到的数字量,并与预存储值比较,根据比较的结果确定通道1(或2)是否正常工作,并形成相应的指示信号送入驱动电路。驱动电路根据通道1自我检测逻辑输出的指示信号和通道2自我检测逻辑输出的指示信号形成“通道1正常”信号、“通道2正常”信号和“转换组合正常”信号,并送给后端计算系统。

X5(自动微调脉冲)和X6(计数脉冲)分别通过二选一开关进入缓冲及延迟电路,形成一组脉冲信号送入时序逻辑。时序逻辑根据此组脉冲信号形成系统正常工作所需的多种脉冲信号。数据处理逻辑、寄存器、地址形成逻辑、基准自动微调逻辑、零点自动微调逻辑、自我检测逻辑、时序逻辑都在Xilinx公司的大规模可编程逻辑器件XC95108内实现(图7中每个虚线框代表一片XC95108)。通道1和通道2分别使用一片XC95108。

调试脉冲形成电路输出X5A和X6A信号。在国产化模数转换组合脱离战车系统进行维修时,通过二选一开关选通X5A信号和X6A信号以替代前端输入的X5和X6,从而方便了该组合的维修。

3.2模数转换电路的设计

模数转换电路是整个国产化A/D转换组合的核心电路,需要精心设计。

首先是A/D转换芯片的选择,根据引进A/D转换组合的工作原理,A/D转换芯片需要满足如下4点要求：

(1)双极性输入;

(2)分辨率≥9位;

(3)最大采样速率≥1.5MSPS;

(4)无流水延时,且模数转换在大约200ns内完成。

根据上述要求,同时考虑价格及功耗等因素,选择逐次逼近式A/D转换芯片LTC1412。LTC1412引脚说明见有关技术资料。其典型用法如图8所示。

电路设计中,LTC1412采用双端输入方式,即

, 端输入模拟多路开关送来的模拟信号,%20端输入双极性数模转换电路送来的微调信号。%20接数字地,从而使LTC1412始终处于选通状态。LTC1412的基准电压可由外部调节,变化范围在1.25V和3V之间,此处使用外部基准,基准电压由单极性数模转换电路提供。 端由缓冲及延迟电路送来的采样时钟驱动。

原A/D转换组合对X2(或X4)的采样时刻相对于X6上升沿滞后约10ns,新设计A/D转换组合也与此保持一致。模数转换电路在输入时钟信号的下降沿采样,而此输入时钟信号的下降沿相对于X6上升沿正好滞后约10ns。

LTC1412的所有正电源端均连接到+5V模拟电源,所有地端均连接到模拟地平面。虽然LTC1412的分辨率为12位,但产品说明给出的评估板只是两层板,因此在设计PCB版图时也只使用两层板。在PCB版图上全部使用表贴电容进行滤波和去藕,可以在抑制噪声方面起到重要作用。