摘要：本文对16位精度、100MSPS采样率的高速模数转换器AD9446进行了详细介绍，在此基础上提出了高速数据采集系统的设计方案，此系统能够在复杂的工作环境下完成微波近场医学特征回波信号数据采集，并具有100MSPS的采样率和0.1%的采集精度。实验表明该芯片能够满足设计需要。

　　关键词：AD9446，数模转换，高速数据采集，串扰

　　Abstract: This paper introduces in detail the AD9446 analog-to-digital converter of 16-bit accuracy and 100MSPS sampling frequency, based on which it also puts forward the design of high-speed data acquisition system. The system can acquire data in complicated environment and it has the sampling frequency of 100Msps and the accuracy of 0.1%.

　　Key words: AD9446, ADC, high-speed data acquisition, crosstalk

　　1 引言

　　随着雷达、通信、遥测遥感、医学成像等技术应用领域的不断扩展。人们对数据采集系统的采集精度、数据采集速率、数据采集系统的存储量等都提出了更高的要求。高速数据采集系统的设计需要解决系统在速度、精度、数据存储等各方面的矛盾。

　　本文研究基于微波近场医学特征回波信号的提取和分析，需要高速模数转换系统作为进一步信号分析的基础，本系统采用ADI公司的16位100MSPS高速A/D芯片AD9446为核心，结合USB接口组成完整的高速数据采样系统。

　　2 AD9446的引脚及特性说明

　　AD9446是ADI公司推出的16 bit模数转换芯片，它具有100 Msps的采样速率(是其它同类产品的10倍)，片内集成高性能采样保持器和参考电压源[1]。此外，由于AD9446的并行低电压差分信号(LVDS)输出中包括一个输出时钟信号，故可简化连接到数字处理器的接口，同时能降低数字噪声祸合返回到ADC内核的可能性。AD9446采用100引脚TQFP/EP塑料表面贴装无铅封装[2]。

　　2.1 引脚功能

　　图1 AD9446引脚图(TQFP)

　　图1所示为AD9446的引脚图。AD9446的各引脚功能如下[3]：

　　DCS MODE：时钟执行周期稳定控制引脚与CMOS兼容。该脚为低 (AGND)时使能，为高(AVDD1)时无效。

　　DNC：不接，悬空。

　　OUTPUT MODE：CMOS兼容的输出逻辑模式控制引脚，当OUTPUT MODE为0时芯片工作在CMOS模式;当OUTPUT MODE为1时，工作在LVDS模式。

　　DFS：数据格式选择引脚。用于决定输出数据的格式。当DFS为低(ground)时，选择偏移二进制格式;当DFS为高(AVDD1)时，选择二进制补码格式。

　　LVDS-BIAS：LVDS电流输出引脚。该脚应接3.7Ω的电阻到数字输出地(DRGND)。

　　AVDD1：3.3 V (±5%)模拟电源输人端。

　　SENSE：参考电压方式选择引脚。接地时，选择内部1.6 V (峰峰值3.2 V的输入范围)参考电压;接AVDDI时，选择外部参考电压。

　　VREF：1.6 V的I/O参考电压。功能与SENSE引脚和外部可编程电阻有关。使用时应用0.1μF和10μF的电容旁路。

　　AGND：模拟地。

　　REFT：差分参考输出。应接0.1μF的电容到地，并应加0.1μF和10μF的电容到REFB。

　　REFB：差分参考输出。应接0.1μF的电容到地，并应加0.1μF和10μF的电容接REFT。

　　AVDD2：5.0 V (±5%)模拟电源输人端。

　　VIN+/VIN-：模拟信号输人端。

　　CLK+/CLK-：时钟输人端。

　　DRGND：数字输出地。

　　DRVDD：3.3 V数字输出电压((3.0～3.6 V)。

　　DCO+/DCO-：数字时钟输出。

　　D (15:0)+：源码并行输出位，其中D15为最高位。

　　D (15:0)-：补码并行输出位，且只有在LVDS模式时才有效。

　　OR+：溢出源码输出。

　　OR-：溢出补码输出，该脚只有在LVDS模式时才有效。

　　2.2 输入输出特性

　　1) AD9446的工作时序

　　AD9446芯片的控制时序与传统的低速AD有所不同，它完全依靠时钟来控制其采样、转换和数据输出。AD9446通常在CLK+第一个时钟的上升沿开始采样转换，经过tpd后，数据开始输出。而在第十三个时钟到来时数据才出现在D15-DO端口上[4]。图2为AD9446工作在CMOS模式下的时序图，工作在LVDS模式下的时序与之类似。

　　图2 AD9446工作在CMOS模式下的时序图

　　2)模拟输入

　　与大多数高速、大动态范围的ADC器件一样，AD9446也是差分输人。因为信号要经过衰减和增益处理，所以差分输人信号能提高芯片的性能。性能的提高得益于差分输人信号也能够很好地抑制接偶次偕波。此外，差分输人信号能够很好地抑制地和电源噪声，以及共模信号(例如本振反馈)的干扰[5]。

　　AD9446的每一个模拟输入端都通过一个1kΩ的电阻接3.5 V的偏置电压，而电阻的另一端接差分缓冲器的输人端。内部的偏置网络则可为缓冲器提供最大的线性度和幅度。驱动AD9446的模拟输入信号必须通过交流方式藕合到输人引脚[6]。

　　3)数字输出

　　一般情况下，AD9446采用直接二进制码输出16位的转换数据。而设计者也可通过设置MODE引脚来采用二进制码补码形式。

　　2.3 内部参考电压的调整

　　内部参考电压是在产品测试时已被调整过的。因此对于用户来说，使用外部参考电压没有什么优势。增益调整是在输人电压是3.2 V峰峰值时进行的[7]。正因为进行了这样的调整，当模拟输入电压峰峰值小于2V时，便没有什么益处可言。但是输人范围的减小可以提高某些应用中SFDR的性能。同样，将输人范围峰峰值增大到3.8 V也可以提高SNR。但用户需要注意的是，ADC的差分非线性会随着参考电压的改变而改变。

　　3 高速数据采集系统的设计方案

　　微波近场医学特征回波信号通过模拟放大后，被AD9446转化为数字信号，再传送给堆栈芯片，然后通过USB接口传给PC主机，最后在PC主机上显示信号波形图。图3为高速数据采集系统结构框图。

　　高速AD9446 控制单片机 电源模块 堆栈 时钟100M USB接口

PC主机 模拟信号 放大电路 图3 高速数据采集系统框图

　　在采集系统中，A/D转换器和控制单片机均被赋予同步的100M时钟信号，使得该系统再此时钟信号下进行100MSPS采样率的模数转换，并将100MWord/S的数据流加以处理后送出[8]。由于输入的模拟信号是差动的，转换器在总谐波失真和无杂散动态范围的方面将获得最佳性能，所以在设计中采用了一个带中间抽头的高频变压器，把单端的输入信号转换成差动信号[9]。

　　3.1 降低串扰

　　串扰是由两平行导线之间的相互电容效应和相互电感效应所产生的祸合信号。在采集系统中必须降低串扰，使采集到的数字信号保持准确性和完整性。两平行导线间的串扰评估公式[10]为：

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