《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高性能数据采集系统核心器件国产化水平研究
2022年电子技术应用第5期
赵 前，罗通顶，陈彦丽，王 晶，吕宗璟，李海涛，张雁霞，阮林波
西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安710024
摘要： 高性能数据采集系统在高能物理、粒子物理实验、辐射探测等科学研究中具有广泛的应用，是许多大科学装置的关键设备。高性能数据采集系统核心器件主要包括ADC和FPGA，国外一些发达国家在这方面的研究长期处于垄断地位，高性能的ADC和FPGA是严格对我国实施技术管控的产品，因此研究基于国产化核心器件的高性能数据采集系统显得尤为重要。基于高性能数据采集系统的原理，根据《瓦森纳协议》，梳理了西方国家对我国关键电子元器件以及测试仪器设备的技术封锁情况，调研了国产高性能ADC芯片以及FPGA芯片的设计生产现状并做了性能比对，同时分析了国内外示波器以及数据采集仪的现状并做了性能指标方面的对比，最后讨论了关键电子元器件国产化替代思路。
中國分類號： TN6
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212068
中文引用格式： 趙前，羅通頂，陳彥麗，等. 高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心器件國產(chǎn)化水平研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(5)：7-11，20.
英文引用格式： Zhao Qian，Luo Tongding，Chen Yanli，et al. Research of data acquisition instrument based on domestic key chip[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(5)：7-11，20.
Research of data acquisition instrument based on domestic key chip
Zhao Qian，Luo Tongding，Chen Yanli，Wang Jing，Lv Zongjing，Li Haitao，Zhang Yanxia，Ruan Linbo
State Key Lab of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi′an 710024，China
Abstract： The high performance data acquisition system is widely used in scientific research such as high energy physics, particle physics experiment and radiation detection, which is the key equipment of many large scientific experiment. The core devices of data acquisition instrument mainly include ADC and FPGA which are monopolized by developed countries for a long time. Especially high-performance ADC and FPGA, which are strictly relevant to China′s technology contractions, so it’s important to research the high performance data acquisition system based on the core devices of the domestic. The paper sketches the embargo on the equipment of core electronic components and key instruments based on the " Wassenaar Arrangement " and the theory of high performance data acquisition system. This paper researches the production status of the domestic high-performance ADC and FPGA, and makes the performance comparison. After that, the present situation of the oscilloscope and the data acquisition instrument are compared. Finally, the paper discusses the substitution of core electronic components.
Key words : Wassenaar arrangement；data acquisition system；ADC；FPGA

0 引言

    自然界或者人工產(chǎn)生模擬信號，比如聲音、光線、脈沖信號等，這些信號不能直接被數(shù)字系統(tǒng)識別并記錄，這時(shí)需要模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字碼，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，人類就可以對信號進(jìn)行分析處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)起到了自然與人之間橋梁的作用。

    模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要分為示波器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩類，在相同性能參數(shù)情況下，示波器有集成度高等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有可定制性強(qiáng)、數(shù)據(jù)在線處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在高能物理、粒子物理實(shí)驗(yàn)、輻射探測等科學(xué)研究領(lǐng)域，測量系統(tǒng)需要滿足不同的物理需求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)因可定制性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先模擬信號經(jīng)過前置模擬電路進(jìn)行預(yù)處理，如單端輸入轉(zhuǎn)差分電路等，經(jīng)調(diào)理過的模擬信號進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADC輸出量化編碼至現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)芯片，當(dāng)ADC輸出的采樣數(shù)據(jù)率高于FPGA內(nèi)部邏輯資源的處理速率時(shí)，F(xiàn)PGA不能直接接收數(shù)據(jù)進(jìn)入其內(nèi)部邏輯資源，這時(shí)需要對ADC的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行接收轉(zhuǎn)換、延時(shí)調(diào)整和降速處理等操作，才能進(jìn)入FPGA內(nèi)部處理，再通過外部總線協(xié)議讀取DDR或FPGA內(nèi)部的緩存數(shù)據(jù)做在線數(shù)據(jù)分析或離線數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括一些外圍電路，比如前端模擬電路、時(shí)鐘電路、外觸發(fā)模塊及電源模塊等[1-4]。




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作者信息：

趙  前，羅通頂，陳彥麗，王  晶，呂宗璟，李海濤，張雁霞，阮林波

(西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710024)




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