張 巖，伍 春，趙志坤

(1.西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000；2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

基于FPGA的多通道數(shù)據(jù)采集卡的方案設(shè)計(jì)

張 巖1，伍 春1，趙志坤2

(1.西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000；2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

多通道數(shù)據(jù)采集卡是將來(lái)自傳感器的信號(hào)通過(guò)放大，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由FPGA芯片采集最終在上位機(jī)上顯示、處理.該系統(tǒng)的多通道采集卡主要是完成32路模擬通道和32路數(shù)字通道信息的采集，對(duì)A/D采集系統(tǒng)的模擬通道部分進(jìn)行了研究，并對(duì)其精度進(jìn)行了性能分析.

數(shù)據(jù)采集卡；A/D；模擬通道

隨著電子科技的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，而且所涉及的測(cè)量信號(hào)的類型越來(lái)越多樣化，傳統(tǒng)的單路數(shù)據(jù)采集早已不能滿足多路測(cè)試信號(hào)的需要[1].本文研究了一種多路數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方案并對(duì)其精度進(jìn)行了性能分析.

1 多通道數(shù)據(jù)采集卡的整體結(jié)構(gòu)

本文數(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)要求：(1)數(shù)字量測(cè)試技術(shù)指標(biāo)通道數(shù)量為32路，輸入信號(hào)的范圍為0～5 V，輸入信號(hào)頻率范圍為0～1 kHz；(2)模擬量測(cè)試技術(shù)指標(biāo)通道數(shù)量為32路，輸入信號(hào)的形式為差分，滿量程精確度為0.000 5%；(3)加速度傳感器的技術(shù)指標(biāo)量程為±30g，輸出電壓的范圍為0.5～4 V；(4)測(cè)試系統(tǒng)要求測(cè)試精度≤0.001g.

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)主要包括低噪聲電源、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA等模塊[2-4].考慮到系統(tǒng)的通道數(shù)以及維護(hù)的便利性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，每4個(gè)模擬通道使用單獨(dú)的子卡完成傳感信息的采集，共8塊子卡連接在系統(tǒng)木板(FPGA)上.同時(shí)，保證該采集系統(tǒng)精度的核心在于低噪聲電源以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)上.多通道數(shù)據(jù)采集卡的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 多通道數(shù)據(jù)采集卡框圖

2 低噪聲電源模塊

圖2 電源的總體設(shè)計(jì)

在高精度的信號(hào)采集系統(tǒng)中，電源是很重要的一個(gè)模塊，不僅要考慮到功耗和散熱，最重要的要考慮到紋波[5-8]和噪聲的影響.對(duì)于該系統(tǒng)，電源的設(shè)計(jì)和處理要求提供的電源的噪聲盡可能低.電源的總體設(shè)計(jì)如圖2所示.

2.1 模擬電源部分

在圖1中，ADS1256工作時(shí)需要提供精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓，我們選用的是ADI公司的極低噪聲電壓基準(zhǔn)源ADR431B，該電壓基準(zhǔn)源需要5 V的模擬供電電壓.在電源設(shè)計(jì)中，一次電源選用具有過(guò)載保護(hù)功能的明緯S-100-12 型的開(kāi)關(guān)電源，提供12 V/8.5 A的輸出，紋波是100 mV (p-p).12 V電壓通過(guò)LTM8033變換為6.5 V電壓，LTM8033是極低噪聲的DC/DC變換模塊，為了進(jìn)一步提高電源的精度，采用LRC濾波對(duì)噪聲進(jìn)行濾波[7]，具體電路如圖3所示.

圖3 LTM8033 LRC濾波電路

紋波是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)，指定在輸出電壓、電流的情況下，輸出電壓中的交流電壓峰值[8].對(duì)電源紋波的抑制是提高電源精確度的一種方法，電源紋波抑制比的公式為

PSRR=20lg[(Ripple(in)/Ripple(out))]，

(1)

其中PSRR表示電源紋波抑制比，Ripple(in) / Ripple(out)表示紋波抑制的倍數(shù).

LT3081具有很好的噪聲抑制能力，其紋波抑制比達(dá)90 dB(120 Hz時(shí))，利用(1)式得出該電源模塊可以將紋波抑制10 000～100 000倍.具體的電路如圖4所示.

圖4 LT3081 LRC濾波電路

2.2 數(shù)字電源部分

12 V電壓通過(guò)LTM4612變換為數(shù)字6.5 V，LTM4612具有內(nèi)置輸入濾波器和噪聲抵消電路，能有效降低噪聲，當(dāng)輸入紋波為100 mV(p-p)時(shí)，根據(jù)LTM4612的電氣性能，輸出紋波可控制在20 mV(p-p)內(nèi).5 V再經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓器LT1084將電壓變換為數(shù)字5 V，其紋波抑制比達(dá)75 dB(120 Hz時(shí))，利用(1)式得出該電源模塊可以將紋波抑制1 000～10 000倍，5 V電壓再經(jīng)過(guò)2個(gè)雙路的DC/DC穩(wěn)壓模塊LTM4616變換輸出3.3，2.5，1.8，1.2 V電壓，提供給FPGA芯片、MSP430處理器及外圍電路使用.

3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

3.1 傳感器信號(hào)濾波

考慮到被測(cè)對(duì)象為直流電壓差分信號(hào)，且對(duì)噪聲要求嚴(yán)格，采用無(wú)源RC低通濾波(截止頻率約10 Hz)方式對(duì)傳感器輸出的差分信號(hào)進(jìn)行處理，此時(shí)僅有電子元件的熱噪聲，而沒(méi)有有源濾波中放大器產(chǎn)生的額外噪聲，但RC電路因使用阻性元件，會(huì)帶來(lái)一定壓降，當(dāng)后端ADS1256設(shè)置為buffer on方式時(shí)，其輸入阻抗為80 MΩ，此時(shí)RC濾波帶來(lái)的壓降可以忽略不計(jì)，當(dāng)后端ADS1256設(shè)置為buffer off時(shí)，其輸入阻抗為150 kΩ，此時(shí)RC濾波帶來(lái)的壓降必須考慮，通過(guò)每個(gè)通道的軟件標(biāo)定可以解決此問(wèn)題.

3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS1256

數(shù)據(jù)采集電路中，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的基本性能決定了數(shù)據(jù)采集精度的上限.對(duì)于分辨率要求較高但速度要求不是很高，可以利用Σ-Δ轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬輸入進(jìn)行采樣[4]，本文選擇TI公司生產(chǎn)的低噪聲高分辨率24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其主要的技術(shù)指標(biāo)：(1)支持差分輸入，模擬電壓輸入范圍為-5～+5 V(PGA為1時(shí))，覆蓋加速度傳感器的輸出電壓范圍為0.5～4 V;(2)非線性誤差，PGA=1時(shí)，積分非線性度INL典型值為±0.000 3%(FSR)，最大值為±0.001%(FSR)；(3)線性誤差，PGA=1時(shí)，增益誤差為±0.005%，失調(diào)誤差為噪聲級(jí)別，該部分的誤差通過(guò)軟件校準(zhǔn)可以大大降低.

3.3 電壓基準(zhǔn)源ADR431B

ADS1256工作時(shí)需要提供精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓的誤差對(duì)AD轉(zhuǎn)換輸出有重要影響，本文選用ADI公司的極低噪聲電壓基準(zhǔn)源ADR431B提供2.5 V的電壓.ADR431B為ADS1256提供基準(zhǔn)電壓電路如圖5所示.

ADR431B的主要技術(shù)指標(biāo)：電流輸出/輸入為+30 mA/-20 mA；2.5 V輸出時(shí)，極低噪聲(0.1～10 Hz)為3.5 μV (p-p)；輸出電壓準(zhǔn)確度為±1 mV，該部分通過(guò)標(biāo)定可以修正.

圖5 ADS1256基準(zhǔn)電壓電路

4 系統(tǒng)噪聲綜合分析

4.1 需求分析

假設(shè)傳感器的量程為-a～ag，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為Vb～Vc，則可以得出0g的電壓公式為

(2)

同時(shí)也可以求出1g的電壓公式為

(3)

由(1)和(2)式可以得出電壓的測(cè)試范圍為

(V0-V1)～(V0+V1).

(4)

則加速度傳感器的測(cè)試電壓的量程為

Vrange=(V0+V1)-(V0-V1).

(5)

無(wú)噪聲分辨率的公式為

fnn=log2(Vf/Vvpp).

(6)

其中:Vf表示滿幅輸入電壓范圍，Vvpp表示峰-峰值噪聲(即測(cè)試的電壓量程Vrange)，fnn表示無(wú)噪聲分辨率.

加速度傳感器的量程為±30g，輸出電壓為0.5～4 V時(shí)，由(1)—(4)式可以分別求得：

0g的電壓為V0=2.25 V；

1g的電壓為V1=0.058 3 V；

則測(cè)試電壓的量程Vrange= 0.116 V.

系統(tǒng)要求測(cè)試精度≤0.001g時(shí)所對(duì)應(yīng)的峰-峰值噪聲為Vvpp-0.001g=Vrange/1 000 =116 μV.

將Vvpp-0.001g帶入(5)式可以求得(滿幅輸入電壓為10 V)所要求的最低無(wú)噪聲分辨率為fnn≈16位.

4.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ADS1256綜合分析

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的非線性誤差參數(shù)很關(guān)鍵，按典型值±0.000 3% FSR計(jì)算，滿量程(-5～+5 V)在誤差0.000 3%為30 μV，實(shí)際上，該指標(biāo)為所有采樣率(2.5～3×104次/s)情況下得到的，Σ-ΔADC的優(yōu)勢(shì)在于降低采樣頻率時(shí)，采樣精度得到提升，ADS1256在采樣率為3×104次/s時(shí)無(wú)噪聲分辨率為17.1位，而采樣率2.5次/s時(shí)的無(wú)噪聲分辨率高達(dá)23位，可以預(yù)期通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)19～20位的實(shí)際無(wú)噪聲分辨率，符合本文的需求.

4.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換器電源噪聲分析

模擬電源經(jīng)過(guò)DC/DC模塊LTM4612和極低噪聲LDO模塊LT3083兩級(jí)變換，將紋波抑制10 000～100 000倍，此時(shí)可以將紋波抑制到1～10 μV.相對(duì)滿量程電壓來(lái)說(shuō)，利用(5)式可以算出模擬電源的無(wú)噪聲分辨率為18～21位，符合本文的要求.

ADS1256的參考電壓的精度是由電壓基準(zhǔn)源ADR431B決定的，ADR431B的噪聲為3.5 μV(p-p)，則數(shù)據(jù)采樣的最大噪聲為7 μV(p-p)，利用公式(5)算出該基準(zhǔn)電源的無(wú)噪聲分辨率可達(dá)19位，符合要求.

5 小結(jié)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然考慮了噪聲紋波等對(duì)系統(tǒng)的影響，其實(shí)在實(shí)際設(shè)計(jì)中還會(huì)遇到很多其他因素的干擾，比如溫漂等.用軟件來(lái)標(biāo)定和修正雖然會(huì)提高精度，但是誤差還是不可忽視的，我們對(duì)此將繼續(xù)進(jìn)行研究.

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(責(zé)任編輯：石紹慶)

A design of multi-channel date acquisition card based on FPGA

ZHANG Yan1，WU Chun1，ZHAO Zhi-kun2

(1.School of National Defence Science and Technology，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China；2.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China)

The multi-channel data acquisition card amplifies the signal from the sensor，and then convert analog signals to digital signals through the A/D and collected by FPGA chip，which shown and processed on computer. The card collect data on 32 digital channels and 32 analog channels，and introduce the A/D analog channel part in detail.

data acquisition card；A/D；analog channel

1000-1832(2016)04-0063-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.04.014

2015-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61379005)；國(guó)防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(JSHS2014404B002)；中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)項(xiàng)目.

張巖(1992—),男，碩士研究生，主要從事控制科學(xué)與工程研究；通信作者：伍春(1978—)，男，博士，副教授，主要從事無(wú)線電、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)等研究.

TP311 [學(xué)科代碼] 520·40

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