Устройство для регистрации и цифровой обработки аналоговых сигналов с частотой дискретизации 50 Мгц

Устройство для регистрации и цифровой обработки аналоговых сигналов с частотой дискретизации 50 Мгц.

ADC-3U-4-01

АЦП 8х12 Бит, 50 МГц

MASTER PCI 32/33

РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

Основные технические характеристики:

l Тип шины обмена данными — MASTER PCI32/33

l Конструктивное исполнение – CompactPCI 3U

l Количество каналов АЦП — 8

l Разрядность АЦП — 12 бит

l Отсутствие пропуска кодов, гарантировано бит — 12

l Количество эффективных разрядов на частоте 49Мгц — 11.2* бит

l Максимальная частота дискретизации 50 МГц

l Входное сопротивление аналогового входа 50 ± 1 Ом

l Диапазон входного сигнала не более ± 0.5 В

l Среднеквадратичное значение апертурного дребезга при температуре +25С, пс (типовое значение) 1**

l Интегральная нелинейность преобразования ± 0.6* ЕМР, (тип.)

l Дифференциальная нелинейность преобразования ±0.5* ЕМР (тип.)

l Вход внешнего запуска

l Количество входных цифровых линий, не более 3

l Количество выходных цифровых линий, не более 3

l Входное сопротивление линии для цифровых сигналов 500±1 Ом

l Входная емкость линий для цифровых сигналов не более 10 пФ

l Уровни входных цифровых сигналов — LVTTL,LVCMOS33

l Максимальный объем буферного ЗУ — 8 M отсчетов сигнала на канал

l Потребляемая мощность не более 10 Вт

l Напряжения питания — 5 В

l Питание устройства осуществляется через PCI шину персонального компьютера

l Плата позволяет устанавливать перепрограммируемые вентильные матрицы фирмы XILINX семейства Virtex -2 Pro - до 5 миллионов вентилей

l Программирование схемы цифрового автомата осуществляется от микросхемы Flash SPROM, установленной на плате

l Схема цифрового автомата обработки сигнала может быть изменена по требованию заказчика

l Плата поддерживает работу PCI интерфейса в режиме "Master" (DMA, средняя скорость передачи данных 100 MB/Sec)

* - параметры контролируются косвенными методами;

** - значение для микросхемы АЦП. Для устройства в целом параметр зависит от применяемого осциллятора который может быть установлен по ТЗ заказчика.

Общее описание платы

Устройство ADC-3U-4-01 предназначено для преобразования аналоговых сигналов в цифровые коды, хранения этих кодов и передачи их по шине PCI.

Аналоговая часть устройства собрана на основе микросхем АЦП фирмы Analog Device. Буферный усилитель АЦП имеет входное сопротивление 50 Ом и расчитан на работу с источником сигнала имеющим выходное сопротивление 50 Ом. В случае отсутствия источника сигнала (режим холостого хода) на входе АЦП присутствует небольшое постоянное смещение.

Максимальная тактовая частота АЦП составляет 50 МГц (частота дискретизации задается коэффициентом деления тактовой частоты от 1 до 256). Результаты преобразования записываются в буферную память устройства ADC-3U-4-01. Общий объем записываемой реализации 8 M данных на канал.

Использование ПЛИС семейства Virtex-2 Pro фирмы XILINX позволяет перепрограммировать устройство ADC-3U-4-01 для реализации обработки аналоговых и цифровых сигналов по алгоритмам заказчика. Типовая конфигурация платы - цифровой осциллограф.

Процесс дискретизации запускается по команде с компьютера или по сигналу со входа внешнего запуска и продолжается до заполнения буферной памяти. Общий объем буферной памяти 128 МБ (4 микросхемы по 32 МБ). Оцифрованные данные из внутреннего буфера пересылаются в DMA буфер ПК со средней скоростью 100 MB/sec (работа PCI интерфейса в режиме "Master"). Центральный процессор ПК не принимает участие в передаче данных из буферной памяти платы в DMA буфер и в это время может выполнять другие задачи. По окончании процесса дискретизации плата выставляет сигнал аппаратного прерывания, который обрабатывается программой пользователя.

Плата формирует сигнал на разрешение внешнего запуска и сигнал «временного окна», которые могут использоваться для синхронного запуска внешнего процесса. Также плата может быть использована для регистрации цифровых сигналов, используя цифровые входы установленные на плате, и позволяет генерировать цифровые и специальные сигналы на цифровых выходах.

Плата выполнена в стандарте CompactPCI, 3U.

В комплект поставки входят:

· плата ADC-3U-4-01;

· комплект разъемов для подключения к плате цифровых и аналоговых сигналов

· драйвер устройства для операционных систем Windows 2000\XP;

· тестовое программное обеспечение WIN_DO_Oscilloscope (исходный текст проекта для Delphi 7.0);

· DLL библиотека API функций для использования платы в проектах пользователя;

· руководство пользователя

Установка и использование платы.

Плата выполнена в виде стандартного расширения CompactPCI. После установки платы в свободный разъем и загрузки компьютера операционная система обнаружит устройство в системе. На запрос о местонахождении драйвера необходимо указать путь к файлу "MDMAI.inf". Данный файл входит в комплект ПО платы. При установке драйвера под операционными системами Windows 2000\XP, в случае появления диалогового окна "Цифровая подпись не найдена" на запрос "Продолжить установку?" необходимо ответить "Да".

Входящий в состав программного обеспечения, поставляемого с платой, драйвер обеспечивает работу платы под управлением операционных систем Windows 9x\ME\2000\XP.

После установки платы в свободный PCI слот компьютера и включения ПК, BIOS обнаружит новое устройство и идентифицирует его как "сопроцессор". В списке инсталлированных устройств должна появится запись: Vendor ID = 0x2004 и Device ID = 0x680C (на многих компьютерах таблица с инсталлированными устройствами не появляется, а сразу начинается загрузка операционной системы).

После загрузки, операционная система обнаружит в системе новое устройство "PCI Co-processor CPU (Сопроцессор)" и предложит установить для него драйвер. Выберите пункт "установка из указанного места". Далее укажите "Поиск наиболее подходящего драйвера" (с пометкой на дискете A:\), если ПО поставляемое с платой находится на дискете, иначе укажите полный путь к директории в которой находится драйвер"MDMAI.sys" и файл "MDMAI.inf".

При установке драйвера вручную, в окне с предложением поиска наилучшего драйвера выберите "Установить с диска..." и выберите каталог в котором находится драйвер"MDMAI.sys" и файл "MDMAI.inf". Далее продолжайте установку в соответствии с подсказками системы.

При установке драйвера под операционными системами Windows 2000\XP, в случае появления диалогового окна "Цифровая подпись не найдена", на запрос "Продолжить установку?" необходимо указать "Да". После установки драйвера необходимо перезагрузить компьютер.

После успешной установки драйвера можно перейти в диспетчер устройств ("Свойства системы" - "Оборудование" - "Диспетчер устройств") и убедиться, что устройство и драйвер работают нормально (класс устройств XDSPDEVICES).

Если при старте операционной системы устройство не было обнаружено, то этому могут быть две причины: либо устройство не работает, либо оно уже устанавливалось ранее в систему и у менеджера устройств уже есть соответствующая запись. В этом случае откройте менеджер устройств, разверните класс устройств "XDSPDEVICES" и выберите запись, отмеченную как "Adc3U". В свойствах этой записи выберите закладку "Драйвер" и нажмите кнопку "Обновить...". Далее следуйте указаниям описанным выше.

После установки драйвера необходимо перезагрузить компъютер. Для проверки работоспособности платы после успешной установки драйвера устройства можно воспользоваться тестовой программой WIN_DO_Oscilloscope, входящей в комплект ПО платы.

Описание тестовой программы цифрового осциллографа

WIN_DO_Oscilloscope.

Программа цифрового осциллографа "WIN_DO_Oscilloscope" предназначена для тестирования работоспособности платы ADC-3U-4-01 и демонстрации ее основных функций. Программа поставляется с исходным текстом проекта для среды программирования Delphi.

Программный продукт распространяется "AS IS" и служит для демонстрации основных возможностей и механизмов работы с платой. Поставщик не несет ответственности за некорректность работы программы и ущерб принесенный в следствии ее возможного зависания. Пользователь может дорабатывать и модифицировать программу для использования в собственном проекте.

Программа предоставляет пользователю следующие основные возможности:

· Побанковый просмотр оцифрованного сигнала (размер банка может изменяться произвольно);

· Просмотр 8 каналов (по 2 канала одновременно);

· Однократная и циклическая дискретизация;

· Автомасштабирование сигнала, наложение сигнала, программная синхронизация;

· Вычисление глобальных и локальных (в пределах банка) минимума и максимума;

· Просмотр значения сигнала в точке;

· Диагностика процесса дискретизации: количество корректных дискретизаций и ошибок;

· Измерением среднеквадратического уровня собственного шума платы и построение гистограмм распределения значений сигнала и уровня шума;

· Сохранение сигналов в текстовом файле для дальнейшей обработки;

· Сохранения и загрузка конфигурационного файла с уставками программы;

· Работа в режиме модели (при отсутствии подключенной платы в системе).

Программа запускается выполнением файла "Win_do_.exe" из каталога "\WIN_DO_Oscilloscope". Если в системе обнаружена плата, то на вкладке выбора текущего источника появится закладка "Device". Если устройство не обнаружено, то активной становится закладка "Model" и программа переходит в режим моделирования входного сигнала.

Рисунок 1. Внешний вид окна программы с активной закладкой "View".

В нижнем правом углу программы находятся кнопки "Start" и "Stop" обеспечивающие пуск и останов процесса дискретизации, соответственно.

Левая часть окна программы содержит панель графического отображения сигналов и закладки для выбора текущего источника сигнала и режима работы программы. В правой части окна программы находится панель с вкладками, которые обеспечивают переключение между элементами управления программы сгруппированными по функциональному признаку.

Для смешения сигнала внутри отображаемого банка предназначена панель кнопок "BankOffset". Кнопка "Clear" позволяет сбросить смещение в ноль. Кнопки "<<10", "<<1", ">>1" и ">>10" позволяют задавать смещение в отсчетах для просмотра от начала текущего отображаемого банка. Данная панель позволяет более точно задать отображаемую область сигнала и работает во всех режимах работы с графиками.

Закладка "View".

Закладка "View" содержит элементы для управления режимами отображения оцифрованного сигнала, а также элементы для управления платой. Все элементы объединены в группы с названиями по функциональному признаку.

На рис.2,3 представлены скриншоты программы при различных положениях элементов управления на вкладку “View”.

Таблица 1. Элементы закладки “View”

Группа "Sampling"	Задает режим циклической (Cyclical) или однократной (Onetime) дискретизации.
Группа "View Channel"	Выбирает отображаемые каналы. Channel 1 & 2 - одновременный просмотр 1(низ) и 2(верх) каналов. Channel 3 & 4 - одновременный просмотр 3(низ) и 4(верх) каналов. Channel 5 & 6 - одновременный просмотр 5(низ) и 6(верх) каналов. Channel 7 & 8 - одновременный просмотр 7(низ) и 8(верх) каналов.
Группа "Bank Select"	Задает размер отображаемого банка и текущий банк. View Bank - индицирует текущий отображаемый банк. Полоса прокрутки позволяет изменять текущий отображаемый банк для перемещения по оцифрованному сигналу во времени. Bank Size - позволяет выбрать из списка или задать произвольно текущий размер банка.
Группа "Signal Options"	Позволяет выбрать следующие режимы: AutoScale Signal - вкл.\выкл. режим автомасштабирования отображаемого сигнала. При выключенном режиме AutoScale можно задавать коэффициент масштабирования с помощью кнопок "<<", "<", ">" и ">>". При нажатии этих кнопок текущий коэффициент масштабирования будет отображаться в строке статуса. Synchronize Signal - вкл.\выкл. режим программной синхронизации сигнала (параметры синхронизации задаются на вкладке Synchro). HistBuff Enable - вкл.\выкл. на плате буфера предистории (используется при необходимости получения данных предшествовавших сигналу внешнего запуска). Enable External Start - вкл.\выкл. режим внешнего запуска процесса дискретизации; ExternalPuskEdgeNegative - внешний запуск по переднему(выкл.)/заднему(вкл.) фронту сигнала; Enable Address Counter Test - вкл.\выкл. режим аппаратной подмены данных АЦП счетчиком (используется для диагностики работы внутренних схем платы); OverWrite Drawing Mode - вкл.\выкл. режим наложения отображаемого сигнала (отображения сигнала без удаления предыдущего изображения); Draw Signal By Dots - вкл.\выкл. прорисовку графика сигнала точками.
Кнопка "Clear Signal Drawing Area"	Позволяет отчистить область отображения сигнала, удобна для использования при включенном режиме наложения "OverWrite Drawing Mode".
Frequency Divider	Значение делителя частоты дискретизации, устанавливается по нажатию кнопки "OK".
Группа "Sampling Status Message"	В случае корректного завершения текущей дискретизации отображается строка "Корректное считывание", в противном случае - "Некорректное считывание";
Группа "Sampling Process Information"	Отображает информацию о количестве успешных и ошибочных дискретизаций. Cycles from program start - число корректных считываний от старта программы. Cycle from last start - число корректных считываний от последнего нажатия кнопки "Start". Timeouts from program start - число некорректных считываний от старта программы (число тайм-аутов ожидания прерывания).

Рисунок 2. Внешний вид окна программы - работа при включенном режиме "AutoScale Signal".

Рисунок 3.Внешний вид окна программы - работа при включенных режимах "OverWriteDrawingMode" и "Synchronize Signal".

Закладка "Synchro"

Рисунок 4.Внешний вид окна программы с активной закладкой "Synchro".

Таблица 2. Элементы закладкт “Synchro”

Группа "Synchro Level"

Позволяет с помощью ползунка задать порог синхронизации. Текущий порог отображается на сигнале горизонтальной красной линией*.

Группа "Synch Edge"

Позволяет выбрать фронт по которому будет выполняться программная синхронизация:

Rising - по возрастающему фронту;

Falling – по спадающему фронту;

*При вкл. режиме AutoScale Signal графическое отображение уровня синхронизации не соответствует действительному.

Закладка "MinMax"

Рисунок 5. Внешний вид окна программы с активной закладкой "MinMax".

Таблица 3. Элементы закладки "MinMax"

Группа "Signal Local MinMax"	Отображает текущие локальные (в пределах текущего отображаемого банка) минимум и максимум раздельно по каналам.
Группа "Signal Global MinMax"	Отображает текущие глобальные (по всему буферу оцифрованного сигнала) минимум и максимум раздельно по каналам*

* Значения глобальных максимумов/минимумов расчитываются при включенном режиме "CalculateGlobalMinMax", т.к. этот режим замедляет работу программы.

Закладка "ADC Control".

Используется для доступа к управляющим регистрам АЦП. Производит запись данных "DATA" по адресу "ADDR" в соответствии с документацией АЦП (datasheet на ADS5271).

Рисунок 6. Внешний вид окна программы с активной закладкой "ADC Control".

Закладка "Statistic"

Рисунок 7. Внешний вид окна программы с активной закладкой "Statistic".

Таблица 5.

Группа "Histogramms Properties"	Позволяет активизировать процесс вычисления статистических значений и гистограмм, а также задать параметры для их построения: Calculate Statistic - Вкл.\выкл. расчет уровня нуля и уровня шума по каналам; Calculate Histogramms - Вкл.\выкл. построение гистограмм с текущими установленными параметрами(для работы этого режима необходимо чтобы был включен режим рассчета статистических данных - режим Calculate Statistic); Clear histogramms - позволяет отчистить гистограммы и инициировать процесс накопление заново с новыми параметрами; In Active Bank - Вкл.\выкл. отбработка данных из активного банка;
Группа "Input Data Source"	Позволяет задать входные данные для построения гистограмм: Channel Signals - построение гистограмм будет осуществляться на основе оцифрованных данных по всей выборке (поканально); Signals Noise Level - построение гистограмм будет осуществляться на основе расчитанного уровня шума по каналам; Calculate Count - отображает текущее число обработанных входных данных для построения гистограмм;
Группа "Histogram 1 (2)"	Позволяет задать параметры для построения гистограмм: Bars Number - количество полосок разбиения диаппазона значений гистограммы; Min Value - минимальное значение диаппазона значений гистограммы; Max Value - максимальное значение диаппазона значений гистограммы;
Группа "Signal Statistic"	Отображает рассчитанный средний уровень и уровень шума сигналов по каналам (для работы этого режима необходимо чтобы был включен режим рассчета статистических данных - режим Calculate Statistic):

Меню "File"

Рисунок 8. Меню "File".

1. Сохранение и считывание данных.

Для хранения данных в программе используется текстовый файл без ограничений на имя и расширения. Программа позволяет сохранять и считывать данные всех 8-ми каналов. Выбор файла для чтения или записи осуществляется после активизации соответствующего пункта меню "File": Load Signal - прочитать данные, Save Signal - сохранить данные. Все 8 каналов записываются в один файл.

2. Работа с файлами конфигурации.

Файл конфигурации предназначен для сохранения и считывания текущий установок программы (например, текущий канал, размер банка и т.д.). Пункты меню "Load Config" и "Save Config" предназначены для сохранения и считывания уставок программы из произвольного файла.

Описание библиотеки "Xdspapi.dll".

Библиотека "xdspapi.dll" предназначена для применения платы в прикладных программах. Библиотека реализуюет высокоуровневые API функции для управления режимами работы платы и получения оцифрованных данных из буферной памяти. Вместе с библиотекой поставляются: lib-файл xdspapi.lib для использования библиотеки под C-компилятором (например, Visual C++), заголовочные файлы xdspapi.pas и xdspapi.h для подключения библиотеки к проекту на Pascal и C соответственно.

В комплекте ПО поставляемого с платой (каталог \WIN_DO_Oscilloscope) находится проект в исходных текстах демонстрирующий работу с библиотекой в Delphi.

Плата поддерживает работу PCI интерфейса в режиме "Master". В этом режиме плата производит копирование внутренней памяти в физическую память компьютера без участия центального процессора, так называемый DMA (Direct Memory Access) режим. Работа платы в режиме "Master" обеспечивает передачу внутренней памяти платы в память компьютера со скорость до 100 MB/Sec.

При работе платы в "Master" режиме используется следующий механизм пересылки оцифрованного сигнала из памяти АЦП в память компьютера:

· при инициализации платы, в оперативной памяти компьютера выделяется 4 буфера (DMA буфер) по 32 МБ каждый (для хранения данных 2-х каналов).

· после завершения процесса дискретизации плата автоматически производит копирование участка внутренней памяти АЦП (длинна копируемого участка задается) в DMA 1-й буфер компьютера, без участия центрального процессора;

· остальные 3 DMA буфера копируются непосредственно по команде cтарта DMA транзакции;

· пользовательское приложение получает доступ к буферу напрямую, через указатель на DMA буфер;

Плата поддерживает генерацию аппаратного прерывания. Прерывание генерируется после завершения процесса DMA транзакции или после завершения дискретизации и автоматической DMA транзакции.

Основной режим работы платы - цифровой осцилограф с циклическим запуском процесса оцифровки. В этом режиме очередной цикл оцифровки запускается командой XdspSampleStart или сигналом внешнего запуска, если такой режим включен. Оцифровынные данные (8 каналов) сохраняются в буферной памяти платы и, затем, по команде XdspDMATransactionStart или автоматически при вызове XdspSampleStart передаются в один из 4-х DMA буферов компьютера для обработки(при вызове XdspSampleStart всегда в 1-й DMA буфер).

DLL библиотека "xdspapi.dll" подключается к проекту программы стандартными методами для используемой среды программирования.

Модуль "xdspapi.pas" (xdspapi.h), описывающий импортируемые функции, а также дополнительные константы и типы для среды программирования Delphi (Visual C++), поставляется в комплекте ПО с платой.

Библиотека поддерживает следующие группы функций:

· открытие (инициализация), закрытие (деинициализация) платы;

· обслуживание DMA транзакции, DMA буфера ("Master" режим);

· запуск процесса дискретизации и DMA транзакции;

· управление режимом внешнего запуска;

· управление АЦП;

· управление буфером предистории;

· настройка процесса оцифровки данных.

Перечень функций:

· открытие (инициализация), закрытие (деинициализация) платы:

XdspOpenDevice - Открыть устройство

XdspCloseDevice - Закрыть устройство

XdspResetAll - Выполнить RESET платы

· обслуживание DMA транзакции, DMA буфера ("Master" режим):

XdspGetDMABufferUserPtr - Получить указатель на DMA буфер компьютера

· запуск процесса дискретизации и DMA транзакции:

XdspSampleStart - запуск процесса дискретизации (оцифровки)

XdspDMATransactionStart - запуск DMA транзакции сброса данных из буферной памяти платы в ОЗУ компьютера

· управление режимом внешнего запуска:

XdspExternalStartEnable - Вкл. режим внешнего запуска

XdspExternalStartDisable - Выкл. режим внешнего запуска

SetRExtPuskEdge - Внешний запуск по переднему фронту

SetFExtPuskEdge - Внешний запуск по заднему фронту

· управление АЦП:

XdspWriteDataToADC - Запись данных в АЦП

· управление буфером предистории;

HistBuffEn - Вкл. буфера предыстории

HistBuffDs - Выкл. буфера предыстории

· настройка процесса оцифровки данных.

XdspSetProcessLength - Установить количество отсчетов дискретизации и длинну DMA транзакции

XdspSetSampleFrequencyDivider - Установить делитель частоты процесса оцифровки

XdspAddrCntrToADCDataEnable - Вкл. режим подмены данных АЦП адресным счетчиком

XdspAddrCntrToADCDataDisable - Выкл. режим подмены данных АЦП адресным счетчиком

Сигналы цифровых входов - выходов.

Рисунок 9. Разъем на передней панели (вид спереди).

15 PIN HIGHDENSITY D-SUB FEMALE.

Таблица 6.

Имя сигнала	Назначение	Номер контакта на передней панели	Номера контакта GND
FPGA_IN1	Сигнал внешнего запуска.	1	2
FPGA_IN2	При необходимости могут быть задействованны в соответствиии с ТЗ заказчика.	3	4
FPGA_IN3		5	6
FPGA_OUT1	Сигнал «временное окно». (Равен лог. 1 в момент времени когда производится оцифровка сигнала)	11	12
FPGA_OUT2	Разрешение внешнего запуска.	13	14
FPGA_OUT3	Инверсиясигнала разрешения внешнего запуска.	15	-

В комплект входит ответная часть разъема. (Вид спереди).

Рисунок 10. Ответная часть разъема (вид спереди).

15 PIN HIGHDENSITY D-SUB MALE.

Размещение аналоговых входов.

Рисунок 11. Сигналы аналоговых входов.