高速大容量模拟信号采集与存储系统

高速大容量模拟信号采集与存储系统

一、立题背景

1.选题背景和意义

随着计算机的广泛应用和电子学的高速发展，数字系统已被广泛地应用于国民经济、国防建设和科学试验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等一系列优点，但是数字系统只能处理离散的数字信号。外部世界的各种各样信息经过传感器转换以后，除了极小部分为数字信号和开关信号之外，绝大部分以电压或电流等模拟量的形式存在，所以往往需要将这些模拟信号转化为便于处理和存储的数字信号。这部分工作就需要数据采集系统来完成。所谓数据采集就是将模拟信号转化为数字信号，并进一步予以处理、显示、存储和记录的过程，是获取信息的基本手段。数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的实用性。随着微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，数据采集存储技术使用越来越广泛。现在不管是民用领域、工业领域或是军用领域都大量地用到了数据采集存储技术，比如：语音信号的处理、雷达系统回波信号的采集存储等等。而且很多领域对数据采集存储系统的性能提出了苛刻的要求，它们需要持续高精度的采集，持续高速度大容量的存储，同时能脱机运行，有较强的便携性。比如机载合成孔径雷达，目前成像的分辨率相当高，不但能够检测、分辨机动车辆、建筑等大目标，甚至还能分辨得出鸟群、人群等小目标，要达到如此高的分辨率需要采集的数据精度和存储的数据量都是惊人的。

面对各种应用领域高精度采集，大容量、脱机、长时间持续存储等要求，现有的采集存储系统性能有限，很难同时满足这些要求。在这种情况下，很多系统为了实现长时间持续存储大容量的数据不得不采用压缩数据或存储部分数据的方法，这样就会丢失大量的有用信息，由数据得出的结论肯定也就存在误差。而现在各个领域需要得到更精确的数据，获得尽可能完整的数据信息，可见不完整的数据是达不到要求的。目前市场上虽然有便携式脱机数据采集存储系统出售，但大都专业性强，通用性差，存储容量小，价格昂贵，在实际使用中受到很大的限。所以，一套能同时满足高精度采集，大容量、长时间、持续脱机存储要求的采集存储系统是现在很多领域所据需的。

2.高速大容量数据采集系统国内外发展状况

在随着信息技术的日益创新，数据采集存储系统在国内外的发展也非常迅速。目前在国外，高速的数据采集系统已经广泛应用到航天、航空及军事领域中，速率可达到几百兆波特率以上，且在民用领域中也开始应用，但速率较低，一般为一百兆波特率以下。国外市场上出现的数据采集系统产品相当多，比如美国NI 公司生产的数据采集系统采样精度可达到16位，采样频率高达1.25M，但往往采样通道数较少，且同步功能较差，而一些提供多通道同步功能的数据采集系统价格比较昂贵。美国安捷伦公司生产的U2300A系列USB模块化多功能数据采集设备能够独立运行或作为模块化设备运行，并且所有模块均使用通用而非专有标准的高速USB2.0接口。它支持12~16位的采样精度，64条模拟输入通道，单一通道采样率从200K到1M不等，价格也高达上万元。

在国内，高速数据采集系统的开发和研制工作也不再处于起步阶段，很多研究机构和科技公司也正在开发越来越高速的系统，市场上也相继出现了各种新型的数据采集系统。例如北京凯文斯系统集成有限责任公司产品的E16系列并口宽动态范围的高精度数据采集器，数据通道可以达到16个，可编程增益为1、2、4、8倍，分辨率为16位，采样最高频率决定于微机的CPU及处理速度，一般为60~100kHz。北京测振仪器厂研制的HZ-9609数据采集器/振动分析仪，它采用中文显示，直观醒目，操作简单方便；采用高性能电池，体积小，重量轻，便于现场使用；采用频谱分析技术和故障诊断技术，并可以与微机通讯，建立设备状态数据库，对连接设备进行更精细的状态分析。该型测振仪使用简便也实现了脱机采集，但其体积较大，并且功能单一，无微机支持时数据存储量有限。综上所述，除了传统的联机使用的数据采集存储系统外，市场上逐渐出现了脱机使用的数据采集存储的仪器。但国内的发展技术与国外相比还有很大差距，我们的产品普通存在体积大、通用性差、用途单一、采集速度慢、环境适应性差等缺点，未能形成模块化、标准化的通用产品，从而无法满足国内用户不断增长的需要，使得价格高昂的国外产品占有了相当大的市场份额。因此，设计高速大容量数据采集系统对提高国民生产和促进生产力发展具有重要的意义。

二、课题研究内容及实施方案

1.高速数据采集系统关键技术

1.1 系统时钟电路设计

时钟信号的稳定性决定采样系统的性能。反映时钟短期稳定性的指标主要有两个：时钟相位噪声和时钟相位抖动。时钟相位噪声描述时钟信号的频谱纯度，而相位抖动直接影响时钟的过零点根据上述指标，对高速AD采样系统通常采用的三种时钟源：高频晶振、锁相环和模拟混频器，按照性能优劣排序如下：高频晶振、锁相环、模拟混频器。在高速电路的设计中，一般优先考虑高频晶振作为时钟源。

在采样系统中，特别是在高输入频率与宽带情况下，信噪比性能是与取样时钟的稳定性紧密相关的，任何时钟信号噪声及时钟信号相位抖动都会影响数据采集系统精度。通过下面公式可以计算时钟信号相位抖动对模数转换信噪比(SNR)的影响：

其中f

为采样时钟频率，N为模数转换器位数，Δclk为时钟信号相位抖动

s

量。

在设计中，时钟信号必须按照阻抗线进行等长度布线，提高时钟线的信号质量，防止高速时钟信号反射。当时钟频率大于100MHz时，TTL或者CMOS电路已经无法可靠保证时钟电路的正常工作了，通常采用的是PECL或者LVDS器件。后者在信号速度、对外辐射、器件延迟以及输出信号抖动上有着前者无法比拟的优势，适于高精度、高稳定度、低噪声、低抖动的采样时钟的产生与传输，满足超高速数据采集系统的要求。

1.2 模数转换器的选择

模数转换器的选择除了考虑数据输出电平或者接口方式，控制时序，参考源，带宽，电源和封装等因素之外，最重要是根据设计需求，计算动态指标：信噪比、采样率、孔径抖动和满度范围等，然后选择合适的器件。

(1)信噪比：模数转换器的信噪比取决于量化分层位数，位数越多，量化噪声越小，信噪比越高。理论上，对于一个满量程的正弦波输入信号的模数转换器，其对量化噪声的信噪比(SNR)关系式为：

N为模数转换器位数。实际设计中，考虑其它损失时，需要在此基础上，增