2GSPS高速采集以及毛刺检测系统

  采集系统规格：

  系统采用基于FPGA的采集加数据分析系统，包括如下几个部分：
  1．10bit2.2GSPSADC，单通道。采样率可以通过软件设置。
  2．低噪声模拟前端，支持+/-5V~+/-200mV信号输入，50Ω阻抗BNC接口。
  3．板载256MBDDR2内存。
  4．优化的USB2.0传输接口，支持33MB/s的连续传输速率。
  5．支持外部触发输入。
  6．16个可编程GPIO，可用于系统控制。
  7．高稳定度，超低低抖动时钟发生器。
  8．低噪声电源设计。
  9．板载高精度自适应校准电路及算法。
  10．LED显示，指示毛刺数量和状态。
  11．毛刺电平输出，兼容TTL电平。
  12．FPGA实现实时毛刺检测算法功能。
  13．采集数据时间戳功能。
  14．用户可通过小键盘或串口进行参数配置和模式选择。
  15．宽温设计-20℃~+90℃
  16．供电需求，单电源12DC输入，1A电流。
  17．外形尺寸：180mmX90mm

  系统整体框图如下：

  方案描述：

  该采集系统主要用于长时间采集1通道脉冲信号：
  1．采集脉冲信号，实时检测其脉冲上的毛刺，并判断有无毛刺。
  2．对毛刺信号进行计数（通过数码管显示），实时上报毛刺情况（通过IO输出）。
  3．保证ADC的SNR以及长时间宽温的工作稳定性。

  毛刺信号的检测算法：

  输出的信号如下：

 

  为了准确检测包络信号的毛刺，我们首先检测信号峰值，并判断信号峰值的类型，是真正的峰值，还是毛刺的峰值。通过设置一定门限来区分毛刺和真正的峰值。

  为防止信号噪声的干扰，我们引入低通一阶导和低通二阶导的概念。检测流程如下：
 

  其核心算法判断峰值中心，并同时向左向右（时间前后）进行边缘长度搜索，一单在门限以内还存在另一个峰值，就可以判断毛刺的存在。哪怕俩个峰值相互重合，通过检测峰值边缘长度也能判别叠加在峰值上的毛刺。

  同时为了准确的采集，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：

  量化误差、Clockjitter和ADCjitter、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

  

  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，我们在设计中选用epson公司的TCXO，该晶体具有业内领先的温度稳定性，在宽温工作环境下不会超过+/-2ppm，其温度测试性能如下：

 

  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Jittercleaning功能和clkphaseadj功能。通常，jitter由ADC本身的jitter和CLKjitter组成，各自的RMS再组成总jitter的RMS：

 

  总jitter的RMS会在采集系统中产生白噪声，其关系如下：

 

  采集系统的总和

  采用本时钟解决方案，其总的clockjitter在系统中完全能做到<1ps。在忽略信号noise，DNL等情况下，fin和clockjitter有如下关系：

 

  系统电源干扰的解决方案：

  1．电源抑制(PSR)是采集系统的比较重要的指标，高的PSR能拟制电源上的CML共模噪声，该方案中选用的ADC具有80dB以上的电源拟制比。

  2.有效的数字-模拟电源隔离和滤波电路。本方案中采用PICOR的专业有源EMI滤波器，能在电源上产生65dB的共模制比和80dB的差模拟制比，远远高于通用的磁珠等EMI滤波效果。

  3．合理的PCB布线和接地

  板卡实物图: