AD板卡设计

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AD板卡设计

功能划分

板卡主要分为四个部分：

  • 模拟前端（Analog Front-End，AFE）
  • 电源
  • ADC
  • 接口

主要功能划分：

  • AFE：信号缩放，滤波。
  • 电源：AFE，ADC供电，需要多路电源。
  • ADC：输入信号采集转换，输出16bits数据。
  • 接口：模拟信号引入，数字信号输入输出，电源输入。

各部分设计

AFE

  • 输入输出特性如下：

    • 输入±5V，支持差分输入和单端输入。

    • 输出与ADC输入匹配，支持输入滤波。

  • 具体原理图如下

    • 需要两个信号输入端，即 AIN+ 和 AIN-。

    • 采用同相跟随器，进行阻抗变换和前后级隔离，并避免反相增益降低输入阻抗。

    • 输入端采用一阶RC滤波，并加入串联式肖特基二极管进行输入过压保护。

    • 主增益端选择 THS4551 全差分放大器，主要为输出差分。增益选择 2.4K : 7.5K = 0.32，输入端±10V，输出 ±3.2V。

    • THS4551 输出最高到电源轨下0.2V，输出共模电压设定2.048V，电源电压为 0，5V，选择0.32增益使输出电压极值为 3.468V和0.448V，不超过输出轨。

    • 全差分增益项引入 RC 并联，使总体增益项为2阶低通形式。由LTspice仿真得到 -3dB点为656kHz，50kHz频点增益下降0.021dB，增益误差为0.25%，可以保证测量准确。

    • 考虑到各个运放输出端信号不能到电源轨的要求，同相跟随端运放选择OPA197，电源电压±6V；THS4551电源电压不能高于5.5V，选择电源电压为5V。

    • 由于AFE端均为模拟电路，要求电源电压纹波尽可能小，因此不能采用FPGA板卡上的5V开关电源直接供电，均需要采用LDO进行供电。

AFE

电源部分

  • 输入输出特性如下：

    • 输入为FPGA板卡端的5V。

    • 输出为4路输出，±6V、5V给到AFE和ADC，5V和1.8V给到ADC。

    • 所有输出均需要低纹波，采用LDO进行各个电源轨的生成。

  • 具体设计：

    • 6V：B0509升压，输出9V，通过 TPS763 LDO降压到6V；

    • -6V：B0509升压，输出采用反压型接法输出-9V，通过TPS723 LDO升压到 -6V。

    • 5V：采用Boost电路升压到5.5V~6V，再通过TPS7B69 LDO降压到 5V。

    • 1.8V：采用 TPS763 LDO降压到1.8V。

ADC部分

  • 输入输出特性如下：

    • 模拟输入为AFE输出的两路差分信号，共模电压2.048V，单个差分信号摆幅为±1.6V。

    • 数字部分为4路SPI数据输出、一路CLKOUT输出，一路SCK输入、一路CNV信号输入。

    • 模拟输出需要输出内部参考信号，给AFE端的THS4551生成2.048V共模电压使用。

  • 具体设计：

    • ADC采用LTC2324-16，需要设置 SDR/DDR引脚以及 CMOS/LVDS、REFBUFEN引脚。

    • 设置两个引脚均为低电平，使得输入输出为 CMOS、SDR输出，即SPI输出。

    • CLKOUT为FPGA读取SPI输出数据使用，此时ADC为SPI主机，FPGA为SPI从机。CLKOUT为SCK偏移一定相位产生，对FPGA为与SCK相同的时钟域，不需要进行跨时钟域处理。

    • REFBUFEN选择逻辑高电平，启用内部参考电压源。5V下参考电压为4.096V，为ADC转换的参考电压。

SPI

接口部分

  • 模拟部分采用 VHDCI68接口，每一路模拟信号采用4根信号引脚，即 AIN+ - AGND，AIN- - GND。
  • 数字部分采用双板对板接口，与FPGA对接。

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