賈興中，張凱華，任勇峰

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051)

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基于FPGA的多通道模擬信號源設計

賈興中，張凱華，任勇峰*

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051)

摘要:針對航天測試領域?qū)δM信號源的設計要求，提出一種新的信號源實現(xiàn)方法。該方法借助計算機軟件能實時編程生成波形數(shù)據(jù)，通過對波形重構(gòu)電路，調(diào)理電路和多通道電路的合理設計，由FPGA控制邏輯實現(xiàn)波形重構(gòu)和多通道輸出。由于方波信號沿變時具有的特殊性，設計專門的方波產(chǎn)生電路，通過實驗驗證，對原先設計電路的阻尼特性加以改進，實現(xiàn)了方波信號高精度的可靠輸出，滿足技術指標要求。目前，該信號源已廣泛應用于多項航天測試項目。

關鍵詞:模擬信號源;實時編程;多通道; FPGA;方波信號

信號源作為航天器配套測試的重要環(huán)節(jié)，需要具備高精度、高可靠性、易操作等特點。傳統(tǒng)信號源由于輸出精度不高，波形較為單一，參數(shù)不可調(diào)控等缺點，已經(jīng)無法滿足航天測試需求。本文設計的信號源以FPGA為主控芯片，結(jié)合計算機軟件的強大功能，實現(xiàn)信號源的多通道可靠傳輸?？朔藗鹘y(tǒng)信號源的不足，能夠為被測設備提供滿足要求的參數(shù)可調(diào)信號。

1　技術要求及系統(tǒng)方案

該模擬信號源的設計及應用屬于某型號地面測試臺的研究任務，主要技術指標如下:

(1)輸出信號幅度:高低電平分別可在－1 V～+ 7 V之間調(diào)節(jié);

(2)輸出信號精度:優(yōu)于±0.062 5%;

(3)相位調(diào)節(jié)能力: 1 ms～10 s可調(diào)，調(diào)節(jié)步長1 ms;

(4)矩形波邊沿時間:≤1 μs。

測試臺各功能板卡之間依靠背板總線建立起通訊和供電機制，測試臺與上位機之間的連接則通過主控卡完成［1］。模擬信號源的設計采用模塊化的思想，可分為電源模塊、接口模塊和信號源模塊3個部分。電源模塊負責轉(zhuǎn)化背板提供的電源;接口模塊建立背板與信號源之間的通信［2］;信號源模塊包含了主控制器FPGA，信號存儲，信號調(diào)理及信號輸出，各部分在FPGA的協(xié)調(diào)控制下輸出32路信號波形?？傮w方案設計如圖1所示。

圖1　總體方案設計

2　硬件電路設計

多通道模擬信號源的關鍵電路包括接口電路、波形重構(gòu)電路、多通道輸出電路、方波生成電路等。接口電路在背板與信號源數(shù)據(jù)傳送的過程中起橋梁作用，由于背板采用LVDS總線協(xié)議，因此選用芯片DS92LV18實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換，主控制器FPGA識別背板總線指令并執(zhí)行操作［3］。

2.1波形重構(gòu)電路設計

波形重構(gòu)電路是一種新的信號源實現(xiàn)方法，該方法借助于直接數(shù)字合成技術(DDS)的思想原理［4］，通過USB總線將軟件技術融入到信號源的實現(xiàn)中，利用強大的語言編程功能將硬件設計軟化，由軟件實時產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)。信號源由基于LVDS的接口從背板高速串行總線上接收計算機指令及波形數(shù)據(jù)，經(jīng)FPGA判斷并存儲在波形存儲芯片HM628512中，完成波形數(shù)據(jù)的下載［5］。當啟動信號源后，加載波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生的階梯電壓經(jīng)低通濾波器平滑后得到需要輸出的波形。

指標要求信號源的輸出幅值精度達到0.062 5%，理論上選用具有14位分辨率的DAC即可實現(xiàn)，但由于電路本身具有的誤差，實際的DAC電路無法達到理論精度。為此選用具有更高分辨率的AD768AR芯片。該芯片具有16位分辨率，30 Msample/s的輸出更新速率，以及穩(wěn)定的2.5 V的輸出參考電壓。其外圍電路提供一種雙極性的設計方案，用于產(chǎn)生對稱幅值的輸出電壓。如圖2所示。

AD811是一款具有較高動態(tài)性能的運放。DAC引腳REFOUT為輸出參考電壓，穩(wěn)定輸出2.5 V。計算流經(jīng)電阻R108的電流穩(wěn)定值為2.5 mA，稱為補償電流;引腳REFIN參考輸入電流為5 mA，則DAC的滿量程電流為4×5 mA = 20 mA。當AD768的輸入為(1000 0000 0000 0000)時，IOUTA為滿量程電流的一半10 mA，R105和R107產(chǎn)生分流，流經(jīng)R105的電流為2.5 mA。此時流經(jīng)R109的電流為0，輸出電壓也為0。當AD768的輸入為全0或全1時，IOUTA分別為0 mA 和20 mA，流經(jīng)R109的電流分別為2.5 mA和－2.5 mA，輸出電壓分別為2.5 V和－2.5 V。改變反饋電阻R109的大小即可改變輸出電壓的峰峰值。

圖2　波形重構(gòu)電路設計

DAC的輸出級經(jīng)兩級AD824電壓調(diào)理電路，可輸出電壓－1.25 V～+7.25 V，保留0.25 V的電壓余量，滿足指標－1 V～7 V的電壓輸出范圍。

2.2多通道輸出電路設計

波形數(shù)據(jù)經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換之后要輸出64路模擬信號，如果每一路都采用一個DAC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換再調(diào)理輸出，無法滿足功能卡物理尺寸的要求，增加了系統(tǒng)開發(fā)成本，而且違背設計簡潔的原則。因此設計采用電子開關控制及運放電路保持跟隨把各路模擬信號切換到對應通道位置，實現(xiàn)多通道輸出［6］，設計電路如圖3所示。

圖3　多通道輸出電路設計

ADG506是一款16位的模擬信號多路選通芯片，引腳EN使能，在輸入端A0～A3的控制下實現(xiàn)單路選通，4片ADG506芯片可選擇64路信號，輸入VOUT為前端電壓調(diào)理電路輸出，輸出端采用AD824對其進行采樣保持及跟隨輸出。

2.3方波電路設計

按照上述原理實現(xiàn)多通道模擬信號輸出時，采用的是將多路信號分時輸出，每一路都有采樣保持電路對輸出信號進行采樣保持，這樣會使得輸出信號的頻率較低。當產(chǎn)生方波輸出時，其邊沿時間為采樣保持電路的采樣時間，通常為幾微秒或幾十微秒，遠超過設計指標小于1 μs的要求。因此，提出采用單刀雙擲模擬開關切換電平的輸出方案，該方案輸出的方波信號上升沿和下降沿時間主要取決于模擬開關的導通和關斷時間。

設計原理如圖4所示，U1、U2為不同電平幅度的直流信號，設U1＜U2，開關從U1導通變?yōu)閁2導通時，Uout產(chǎn)生方波上升沿;開關從U2導通變?yōu)閁1導通時，Uout產(chǎn)生方波下降沿。

單刀雙擲模擬開關選用ADG333A，典型導通和斷開時間分別為90 ns和80 ns，導通電阻45 Ω。為提高信號源的驅(qū)動能力，單刀雙擲開關后面使用高速運算放大器作為輸出跟隨。實驗中發(fā)現(xiàn)，生成的方波伴隨有“過沖”和“振蕩”現(xiàn)象，而這樣的方波無法作為標準信號源提供給外部被測設備，需要針對此提出可靠有效地解決辦法。

圖4　方波生成電路原理圖

為了對輸出波形的上升沿和下降沿進行瞬態(tài)分析，建立如圖5所示的等效電路模型［7］，輸入電平U1=VCC，U2=GND。在測試時，示波器探頭的等效電容視為負載電容CL，連接線等效成電感與電阻串聯(lián)。

應用基爾霍夫定律建立方程:

圖5　等效電路模型

根據(jù)阻尼系數(shù)的不同取值判斷輸出響應曲線: 當0＜ξ＜1時，輸出響應為衰減振蕩，稱為欠阻尼系統(tǒng)，其暫態(tài)過程是在輸出高電平上下振蕩，出現(xiàn)“過沖”現(xiàn)象。振蕩隨時間衰減，與實驗中出現(xiàn)的情況相同。當ξ＞1時，輸出響應為單調(diào)上升曲線，不伴隨振蕩現(xiàn)象，稱為過阻尼系統(tǒng)。當ξ= 1時，是上述兩種情況的臨界狀態(tài)，稱為臨界阻尼系統(tǒng)，輸出沒有“過沖”現(xiàn)象。在實驗條件允許的情況下應當選擇合理的阻容，使系統(tǒng)工作在臨界阻尼狀態(tài)。

由以上分析對原實驗電路進行改進，調(diào)整其阻尼特性，設計電路如圖6所示，其中電阻R取值2 kΩ，C取值10 pF。

圖6　調(diào)整后的方波生成電路

結(jié)果表明通過增加電阻、電容改變電路阻尼特性的方法，有效解決了電平切換輸出方波時出現(xiàn)的過沖和振蕩現(xiàn)象。只要電阻、電容取值恰當，使阻尼系數(shù)ξ接近于1，即可輸出較為理想的方波。而且，輸出波形的上升沿時間可以控制在200 ns之內(nèi)，小于1 μs，滿足技術指標要求。證明通過單刀雙擲模擬開關切換電平產(chǎn)生方波的方案設計可行。

3　FPGA控制邏輯設計

由于信號源生成方波信號的特殊性，需要在邏輯設計時，按照方波信號與非方波信號加以區(qū)分，主要體現(xiàn)在單刀雙擲模擬開關的控制邏輯上［8］。如果輸出非方波信號，單刀雙擲模擬開關控制引腳置‘0’，B通道打開，A通道關閉，波形信號由B通道輸出。如果輸出信號為方波信號，單刀雙擲模擬開關控制引腳周期性置‘0’，輸入A通道的信號和輸入B通道的信號(兩路信號均為直流量)周期性的交替輸出，生成方波。

控制邏輯分別采用計數(shù)周期為1 ms的15位計數(shù)器控制方波的相位(Ch_ph)、頻率(Ch_fr)和占空比(Ch_du)，實現(xiàn)波形相位1 ms～10 s可調(diào)、頻率0.1 Hz～500 Hz可調(diào)和占空比可調(diào)。信號源啟動后相位計數(shù)器Ph_cnt開始計數(shù)，并與Ch_ph比較，達到其相位值時啟動頻率占空比計數(shù)器(Ch_cnt)，開關控制引腳邏輯置‘1’;當Ch_cnt等于波形占空比數(shù)值時，控制引腳邏輯置‘0’;當Ch_cnt計滿一個波形周期時，計數(shù)器清零重新開始計數(shù)，控制引腳邏輯置‘1’。從而在輸出端產(chǎn)生連續(xù)的方波信號?？刂七壿嬃鞒虉D如圖7所示。

圖7　控制邏輯流程圖

4　實驗結(jié)果

利用計算機軟件實時設置各通道輸出波形及參數(shù)，并生成相應的數(shù)據(jù)文件，加載至信號源。啟動信號源發(fā)送命令，在輸出通道測量波形輸出如圖8所示，分別為正弦波、鋸齒波、三角波和方波。其中，方波頻率為50 Hz，頻率參數(shù)可調(diào)。針對方波信號上升沿和下降沿的時間要求，對其進行測量如圖9所示:上升沿和下降沿時間均為200 ns左右，小于1 μs，完全滿足技術指標要求，輸出信號穩(wěn)定、可靠。

圖8　信號源輸出波形測量

圖9　方波信號上升沿和下降沿測量

5　總結(jié)

本文設計利用計算機軟件編程技術產(chǎn)生信號源波形數(shù)據(jù)，結(jié)合以FPGA為主控制器的硬件電路，利用AD768芯片對模擬波形進行重構(gòu)，通過多路選用開關實現(xiàn)“一對多”通道的切換，合理有序輸出32通道模擬信號。特別對要求較為嚴格的方波波形，提出針對性的設計電路，解決電路缺陷，完成設計指標要求。信號源輸出信號具有穩(wěn)定可靠，多通道，精度高，波形參數(shù)可調(diào)的優(yōu)越性。在航天測試領域有廣泛的應用前景。

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賈興中(1984－)，男，漢族，山西太原人，硬件工程師，研究方向為電子測試儀器與系統(tǒng);

張凱華(1991－)，男，漢族，山西臨汾人，中北大學測試計量技術及儀器專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向為電子測試儀器與系統(tǒng)，kai.hua2008@ 163.com;

任勇峰(1968－)，男，漢族，山西省中陽縣人，教授、博士生導師，主要從事彈載固態(tài)記錄器和自動測控臺等方向的研究工作。

Data Acquisition System of Various Communication
Methods Based on LabVIEW*

LIU Jingfeng1，YUE Fengying1*，F(xiàn)ENG Xiaobin2，ZHANG Dengshan2
(1.School of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Da Liuta Coal of Shen Hua Shendong Coal Group Corporation Limited，Yulin Shenxi 7193315，China)

Abstract:In data acquisition，the performance of data collection systems like stability，speed quickly and control even from long recieving distance is very important.Aiming at these requirements，a research is made on a data acquisition and control system based on a software development platform called LabVIEW.Through，two kinds of communication methods，Ethernet and wireless，complete the PC and multi-channel data acquisition system of transmission and the remote control of the acquisition system.Furthermore，data preview，storage，playback and preprocessing can be completed in the system.In addition，the functions of self-inspecting，resetting and memory erasing are realized.Practical application proves that each of the operations above can be accomplished in the system.

Key words:data acquisition system; LabVIEW; ethernet communication; wireless communication

中圖分類號:TN914.1

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0576－06

收稿日期:2014－06－25修改日期: 2014－07－18

doi:EEACC: 615010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.021