高速信号采集

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1、坤驰——高速数据采集第一品牌!www.queentest.cn高速脉冲信号采集一、概述：项目背景：该项目主要用于光脉冲在不同介质中的传输特性不同，来实现对目标的跟踪。本系统主要应用于水下目标的特征探测。系统框图如下：当光电倍增管接收的光为均匀的介质是产生的经典本底信号如下：坤驰——高速数据采集第一品牌!www.queentest.cn本底信号采用2.5Gsps采样，下降时间约40ns。当光电倍增管接收的光为遇到介质中的“气泡”时，将在上图的本底信号的上升沿产生畸变，典型信号如下：由于气泡的位置和大小不确定，所以会产生不同的畸变大小、形状且畸变的位置也是不固定的。我们的任务就是需要采集到光电

2、倍增管输出的高速脉冲，通过FPGA实现数字信号实时处理，判别和区分开当前的信号是本底信号还是有畸变的信号，将该信号的特征上传到主机。我们面临的挑战：l光电倍增管输出的脉冲信号非常的窄，且上升时间特别陡峭；这就需要我们采用高速ADC进行采集。l脉冲信号为负脉冲，且幅度较小；这就需要特殊设计ADC的前端放大器，采用高速高带宽直流放大器并且增加高稳定度偏置电路。坤驰——高速数据采集第一品牌!www.queentest.cnl水下环境复杂，有时本底信号和有气泡的信号区别不是很大，这就需要设计更复杂的算法进行更精确的分析和判别；算法复杂程度较大。本底和畸变差别较小本底和畸变差别中等本底和畸变差别较大

3、l由于采用高速采集，采集时钟为2GHz，远高于FPGA所能接收的速度，所以需要采用并行计算的方式来实时处理采集到的信号。解决方案：根据实际系统和算法处理精度要求，硬件系统采用如下设计：n10bit2GSPSADC，单通道。n低噪声模拟前端，支持+/-5V~+/-200mV信号输入，50Ω阻抗BNC接口。n板载128MBDDR2内存。n16个可编程GPIO，可用于系统控制。n高稳定度，超低低抖动时钟发生器。n低噪声电源设计。nLED显示，指示含有畸变信号的数量和状态。nFPGA实现实时信号特征检测算法功能。nUSB2.0接口，用户可以通过USB进行参数配置以及接收计算结果。n宽温设计-20℃

4、~+90℃n供电需求，单电源12DC输入，1A电流。n外形尺寸：220mmX90mm二、系统整体框图如下：坤驰——高速数据采集第一品牌!www.queentest.cn坤驰——高速数据采集第一品牌!www.queentest.cn三、信号的检测算法：设计思想：我们根据不同的波形曲线进行实时特征统计，提取曲线的特征点， 在找到特征点的关键点的性质，来分析有无畸变情况。目前特征点的条件定为如下几点： 特征点由三部分组成a.一阶导数的零点b.二阶导数的零点c.函数本身的极值点判决方法为这些特征点的特性变化：1.计算相邻特征点的方向向量2.计算相邻向量改变角度值3.相邻特征点向量方向转变角度阈值，

5、超过该阈值，则认为曲线有可观测到的变动判决畸变的规则：若输入序列开始为负值，则找到序列第2个正值(连续2个为正)再开始判断1.若此后序列值符号变化为正（至少再有1个点为正）->负，则判断存在畸变（曲线出现内凹）2.满足连续3个点值为正，且数值变化小于中间值的25%,则判断存在畸变（畸变形状近似直线）3.满足连续5个点值为正，且数值均小于一个阈值K_TH（较小的数）,则判断存在畸变（畸变形状近似直线）4.满足一阶导数存在2个以上的较大峰值（大于平均正值斜率均值1.5倍），且 峰值大于两峰之间的斜率均值2倍以上，则存在畸变（曲线部分外凸）这些规则分别判定有尖的毛刺，有直线变化以及外凸等情况。该

6、算法架构最大的好处是可以根据实际情况增加判决规则。典型数据测试测试结果：对于典型的畸变信号，顺利检测出畸变量=25。坤驰——高速数据采集第一品牌!www.queentest.cn对于典型的本底信号，畸变量=0。对于较小的畸变，畸变量=4。附录：高速采集的挑战为了准确的采集，采集系统的信噪比SNR必须得到保证。影响采集精度的主要要素有以下几点：l量化误差。lClockjitter和ADCjitter。坤驰——高速数据采集第一品牌!www.queentest.cnl数字以及电源干扰量化精度的提高：对于量化误差对采集系统的影响，我们在该系统中选用10bit的ADC，理论错误!未找到引用源。(N=

7、10)Clockjitter的消除：该方案中采用温度补偿晶体TCXO以及业内顶级的JittercleaningCLKGenerator芯片来保证clock的稳定性，Clockjitter的消除以及极低的Phasenoise。在宽温工作环境下，普通的晶体随着工作温度的变化，晶体的稳定度和频率都会发生改变，为解决该问题，我们选用超低相位噪声的晶体。对于时钟芯片的选择，也是基于同样的考虑，集成高精度高稳定的VCO，具有Jitt