基于基于AD9220的高速模数转换电路的设计与实现的高速模数转换电路的设计与实现
High Speed Analog-to-Digital Conversion Circuit Base on AD9220 in Nuclear Detection
Abstract: In nuclear detection field, it needs high speed date acquisition, and high speed analog-to-digital conversion circuit
is its key. Based on high speed analog-to-digital converter AD9220, adopting AVR chip microprocessor ATmega128 as
controller, design and implementation of the high speed analog-to-digital conversion circuit is introduced in this paper. It also
shows its idiographic application in γ detection system.
Key words: Nuclear Detection，Data Acquisition，Analog-to-Digital Conversion，AVR Chip Microprocessor
摘要：在核探测领域中，需要高速数据采集，而高速模数转换电路是关键。介绍了以AVR单片机ATmega128为控制器，高速
模数转换器AD9220为核心的高速模数转换电路的设计与实现，给出该电路在γ射线探测系统中的具体应用。
关键词：核探测，数据采集，模数转换，AVR单片机
在核探测领域中，需要高速数据采集，其探测通道必须具有高速模数转换电路，对探测器输出信号进行采集。以探测γ射线为
例，γ射线探测器输出信号多为1～2µs[1]的脉宽，若要对其峰值进行采集，探测通道的采集速率必须大于1MS/s。目前典型的
模数转换电路大部分是采用C51系列单片机作为控制器，选用AD574、AD674、AD774、AD1674作为模数转换器，这种电路
的模数转换速率最高为100KS/s[2]。如果采用上述方法，根本不能满足要求。
我们设计的高速模数转换电路是采用AVR单片机ATmega128作为主控制器，取代C51系列单片机，选用高速模数芯片
AD9220（10MSPS）代替原来的AD1674（100KSPS）作为模数转换器，转换速率高，可以达到5MS/s。实验证明，该电路
应用到γ射线探测系统中，将整个系统探测通道的采集速率提高了几十倍。下文将对该电路的设计原理及其在γ射线探测系统的
应用作详细介绍。
1 AD9220的工作原理
AD9220[3]是ADI公司一款性能优良的12位高速模数转换器，转换速率可高达10MSPS，具有单端和差分模拟输入方式，内部
含有采样保持电路，可选择内部参考源和外部参考源。以选择外部参考源的单端输入方式为例，AD9220的外围电路如图1所
示，电压输入范围为0～5V。
图1 AD9220采用外部参考源单端输入方式的外围电路
图中VINA是信号输入端。AD823是带宽为16MHz的高速运算放大器，输入阻抗为1013Ω，用其构成射极跟随器，极大地提高
输入阻抗。VINB此时和VREF都作为参考电压输入端，MC1403是输出2.5V的参考电压模块；SENSE是参考电源选择端（当
其为高电平时，AD9220选择外部参考电源）；CAPB和CAPB两端通过采用耦合电容网络来减小了参考端的电压噪声；CML
是公共端；CLK是模数转换时钟输入端，该时钟信号由ATmega128产生。
AD9220进行模数转换的时序如图2所示，tC为模数转换时钟周期(tC≥100ns)，tOD是数据输出延时(8ns≤tOD≤19ns)。从图中
可以看出，每次采样量化需要一个时钟周期，数据输出滞后3个时钟周期。
2 AD9220模数转换电路设计
AD9220模数转换电路的速率取决于输入时钟的频率，由于C51系列单片机机器周期为12个时钟周期，工作频率为12MHz时只
能达到1MIPS的性能，输出方波的周期最小为2µs（频率为0.5MHz），此时模数转换速率最高为0.5MS/s，不能满足要求。
为了最大化实现AD9220的高速模数转换性能，需要高频率的时钟信号，往往由硬件电路来实现。例如采用可编程逻辑器件，
这是高速采集卡普遍采用的方法，实现起来比较复杂。AVR系列单片机ATmega128运用Harvard结构概念，具有预取指令功
能，即程序存储和数据存储具有不同的存储器和总线。当执行某一指令时，下一指令预先从程序存储器中取出，程序执行效率
高。其机器周期为1个时钟周期，绝大多数指令为单周期指令，比C51单片机的速度要高[4]。工作频率为16MHz时可达到
16MIPS的性能，可产生周期为125ns（频率为8MHz）的方波。
由于ATmega128内部仅含有4K的数据存储器，当数据采集量大于4K时，采用62256(32K)扩展外部数据存储器。ATmega128
与AD9220的接口电路及其数据存储器扩展电路如图3所示。
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