劉海濤，裴東興，范錦彪，王燕

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

在智能儀器儀表設(shè)計(jì)中，大多數(shù)傳感器信號是模擬信號，在不同的采樣頻率要求下儀器需要不同采樣頻率的A/D轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行模擬量的采集，尤其是在某些惡劣的測試環(huán)境下。針對在某些測試條件下需要高采樣頻率的要求，設(shè)計(jì)了基于一款可實(shí)現(xiàn)高采樣頻率的AD轉(zhuǎn)換芯片（AD9235），由CPLD[1]控制該AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的存儲的彈載加速度測試系統(tǒng)，其采樣頻率可高達(dá)2MHz，且體積小，功耗低，耐高過載，并成功測得了加速度數(shù)據(jù)。

1 AD芯片

采用AD9235作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。AD9235的狀態(tài)控制引腳：

（1）MODE：數(shù)據(jù)格式和時(shí)鐘負(fù)載穩(wěn)定器(dc)模式的選擇；

（2）VREF:參考電壓輸出端；

（3）SENSE:參考模式選擇；

（4）CLK:時(shí)鐘輸入端。在時(shí)鐘的上升沿開始轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)采用AD9235的數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，時(shí)鐘負(fù)載穩(wěn)定器可用，即MODE端電壓為2/3AVDD。參考模式選擇可編程參考模式，即SENSE端電壓為VREF=0.5*(1+R2/R1),使R2=R1,VREF=1V,差分輸入峰峰值為2V(-1V至+1V)。圖1所示為AD9235的硬件連接圖。

圖1 AD9235硬件電路圖

2 彈載加速度測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在動態(tài)參數(shù)的存儲測試領(lǐng)域，測試系統(tǒng)要隨被測體一起運(yùn)動，要求測試系統(tǒng)具有體積小、功耗低以及抗高過載等特點(diǎn)。高速數(shù)據(jù)采集彈載測試系統(tǒng)也要求具有以上特點(diǎn)，存儲容量為256M，負(fù)延遲為128K，采樣頻率為2MHz，測試系統(tǒng)裝置如圖2所示。該彈載加速度測試系統(tǒng)用一路信號連續(xù)采樣，鐵電存儲器一次存儲，裝置斷線上電觸發(fā)等原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)包括：信號采集(加速度信號)、信號處理(放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲)、系統(tǒng)控制(時(shí)序控制、電源管理) 3部分。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 彈載測試系統(tǒng)原理框圖

信號適配電路電路主要有兩個(gè)單元，即放大單元，濾波單元。放大單元主要起放大作用，選用低功耗儀表放大器INA122[4]，電路如圖3所示。

圖3 INA122放大電路圖

電路計(jì)算公式如下：Vo=Vref+(VIN+ - VIN-)*G。G值的選擇如表1所示。式中Vo為電壓輸出端，Vref為基準(zhǔn)電壓，VIN+、VIN-為差分輸入端，G為放大倍數(shù)。濾波單元主要起低通濾波作用，選用是高性能低功耗可軌到軌運(yùn)放OPA2340，設(shè)計(jì)了低通濾波器對放大信號進(jìn)行低通濾波處理。如圖4所示，該低通濾波器截止頻率為28K,品質(zhì)因數(shù)Q=1,放大倍數(shù)為1.6。

表1 放大倍數(shù)選擇

圖4 低通濾波放大電路圖

通過發(fā)射裝置給出測試系統(tǒng)接通電源命令，即上電操作。中心控制器控制電源模塊接通電源，電路模塊開始工作。適配電路將加速度信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并不斷寫入非易失性鐵電存儲器；當(dāng)記錄完規(guī)定的時(shí)間后，中心控制器電源管理部分控制系統(tǒng)停止記錄，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。這樣鐵電存儲器就依次記錄了被測加速度信號，完成了一次存儲測試過程。工作過程中，通過中心控制器內(nèi)部的時(shí)序控制提供A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、地址發(fā)生器所需要的所有時(shí)序控制信號，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀、寫操作。并給采樣時(shí)間控制部分提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘。通過系統(tǒng)電源管理負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的上電、下電及省電模式的設(shè)定。

3 軟件設(shè)計(jì)

以VHDL語言設(shè)計(jì)中心控制器CPLD的控制邏輯。邏輯流程圖如圖5所示。測試儀上電初始化以后即開始循環(huán)采樣，當(dāng)系統(tǒng)感受到超過預(yù)設(shè)值的加速度信號，給出觸發(fā)信號“TRI”之后，開始記錄觸發(fā)后轉(zhuǎn)換次數(shù)，記滿128K后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，等待計(jì)算機(jī)發(fā)讀數(shù)指令將數(shù)據(jù)讀出[5]。

AD9235的工作時(shí)序簡單，只需CPLD給其提供頻率為2MHz的時(shí)鐘，AD9235就能以2MHz的采用頻率實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用VHDL語言在Xilinx公司開發(fā)的Project Navigator軟件中實(shí)現(xiàn)CPLD對AD9235所需采樣時(shí)鐘的輸出。如圖6所示，CLK為外部晶振提供的時(shí)鐘，其頻率為8MHz，CLK8m2m為采用VHDL語言描述的1/4分頻器，頻率為8MHz的時(shí)鐘CLK經(jīng)分頻后變?yōu)轭l率為2MHz的時(shí)鐘COVST輸出給AD9235。COVST即為AD9235的采樣時(shí)鐘[6-8]。

圖5 邏輯流程圖

圖6 CPLD內(nèi)部AD9235采樣時(shí)鐘輸出電路圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用環(huán)氧樹脂真空灌封技術(shù)對所設(shè)計(jì)的加速度存儲測試系統(tǒng)進(jìn)行抗沖擊處理，將彈載加速度測試裝置安裝在彈體中，通過空氣炮裝置推動彈體在空氣炮膛內(nèi)做加速運(yùn)動，成功測得了彈體在空氣炮膛內(nèi)的加速度信號，如圖7所示。膛內(nèi)加速度最大值為9110g,歷經(jīng)時(shí)間為59ms。采用MATLAB軟件將加速度信號曲線積分得到速度曲線，如圖8所示。速度最大值為401m/s，即彈體出膛的速度。與現(xiàn)場采用光測速的方法測得的彈體出膛的速度（402m/s）吻合得很好。驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的采樣頻率為2MHz的高采樣頻率彈載加速度測試系統(tǒng)的可靠性。

圖7 空氣炮膛內(nèi)加速度曲線

圖8 膛內(nèi)速度曲線

5 總結(jié)

采用存儲測試技術(shù)，以可編程邏輯器件CPLD為核心，控制一款可實(shí)現(xiàn)高采樣頻率的AD轉(zhuǎn)換芯片（AD9235），組成了一種高可靠、高采樣頻率、高精度加速度測試系統(tǒng)。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

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