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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。

關鍵詞： 瓦森纳协议数据采集系统 ADC FPGA

中國分類號： TN6
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212068
中文引用格式： 趙前，羅通頂，陳彥麗，等. 高性能數據采集系統核心器件國產化水平研究[J].電子技術應用，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字系統識別并記錄，這時需要模數轉換系統將模擬信號轉為數字碼，經過計算機處理，人類就可以對信號進行分析處理，模數轉換系統起到了自然與人之間橋梁的作用。

模數轉換系統主要分為示波器與數據采集系統兩類，在相同性能參數情況下，示波器有集成度高等特點，數據采集系統有可定制性強、數據在線處理能力強等特點。在高能物理、粒子物理實驗、輻射探測等科學研究領域，測量系統需要滿足不同的物理需求，數據采集系統因可定制性強等特點被廣泛應用。

數據采集系統結構如圖1所示，首先模擬信號經過前置模擬電路進行預處理，如單端輸入轉差分電路等，經調理過的模擬信號進入模數轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)芯片進行模數轉換，ADC輸出量化編碼至現場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)芯片，當ADC輸出的采樣數據率高于FPGA內部邏輯資源的處理速率時，FPGA不能直接接收數據進入其內部邏輯資源，這時需要對ADC的輸出數據進行接收轉換、延時調整和降速處理等操作，才能進入FPGA內部處理，再通過外部總線協議讀取DDR或FPGA內部的緩存數據做在線數據分析或離線數據分析，數據采集系統還包括一些外圍電路，比如前端模擬電路、時鐘電路、外觸發模塊及電源模塊等^[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

(西北核技術研究所強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西西安710024)

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