基于PXI總線的航天設(shè)備測(cè)試用高精度恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在航天設(shè)備測(cè)試中，陀螺和加速度計(jì)測(cè)試是不可缺少的重要組成部分。隨著陀螺與加速度計(jì)精度水平的提高，測(cè)試過(guò)程中對(duì)其激勵(lì)源-恒流源的精度要求越來(lái)越高。本文給出了一種基于PXI總線的高精度恒流源設(shè)計(jì)，并已成功應(yīng)用于很多航天型號(hào)的陀螺和加速度計(jì)測(cè)試中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)PXI總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，本地總線與PXI總線通過(guò)PXI接口電路連接。PXI接口電路將PXI總線指令翻譯成本地局部總線傳給FPGA，通過(guò)FPGA將PXI總線傳輸給D／A進(jìn)行轉(zhuǎn)換，D／A轉(zhuǎn)換后的電壓經(jīng)V／I轉(zhuǎn)換為高精度電流輸出給用戶(hù)。


2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2．1 PXI接口電路

面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展PXI (PCIeXtensionsforInstrumentation)是一種堅(jiān)固的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。PXI充分利用了當(dāng)前最普及的臺(tái)式計(jì)算機(jī)高速標(biāo)準(zhǔn)接口——PCI，結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，并增加了專(zhuān)門(mén)的同步總線和主要軟件特性。這使它成為測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)。

目前實(shí)現(xiàn)PXI接口電路的方式主要由兩種：采用可編程邏輯電路和專(zhuān)用芯片。由于采用可編程邏輯電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較占用芯片內(nèi)部的資源，本板采用專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PXI總線與本地總線之間的轉(zhuǎn)換。

PCI9054是PLX公司生產(chǎn)的PXI總線通用接口芯片，采用先進(jìn)的PLX數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)技術(shù)，符合PXIV2．1和V2．2規(guī)范。PCI9054有3種工作模式：M、C和J；本板采用局部總線16位、地址數(shù)據(jù)不復(fù)用、從操作的C模式。

2．2 FPGA電路

FPGA內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)本地總線的譯碼、產(chǎn)生D／A時(shí)序以及讀取板上溫度傳感器測(cè)試的溫度值等功能。采用Xilinx公司的XC3S500E，該芯片的等效邏輯門(mén)數(shù)為50萬(wàn)，同時(shí)還具有158個(gè)用戶(hù)I／O、65個(gè)差分I／O對(duì)、73kB的分布式RAM、360kB的RAM和20個(gè)專(zhuān)用乘法器。編程語(yǔ)言選擇Verilog。

2．3 高速數(shù)字隔離

為了避免計(jì)算機(jī)側(cè)的數(shù)字信號(hào)對(duì)輸出電流產(chǎn)生干擾，因此必須加一級(jí)數(shù)字隔離電路，本板采用S18440來(lái)對(duì)兩邊的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。器件利用標(biāo)準(zhǔn)全CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)多組芯片級(jí)變壓器以提供4通道隔離功能，體積小、成本低，并能提供2500VRMS的電氣隔離能力。

2．4 D／A轉(zhuǎn)換

D／A轉(zhuǎn)換采用AD5542芯片，AD5542是ADI公司的一款單通道、16位、串行輸入、電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用5 V單電源供電。采用多功能三線式接口，并且與SPI、QSPI、MICROWIRE、DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容?？商峁?6位性能，無(wú)需進(jìn)行任何調(diào)整。DAC輸出不經(jīng)過(guò)緩沖，可降低功耗，并減少輸出緩沖所造成的失調(diào)誤差。輸出可以設(shè)置為單極性或雙極性，上電具有復(fù)位功能，在單極性下，上電后輸出為0，在雙極性下，輸出為一VREF。本板采用雙極性輸出。

輸出電壓與輸入的16位碼值之間的關(guān)系為：VO=-VREF+D／32768xVREF，其中D為輸入的十進(jìn)制16位碼值。
D／A轉(zhuǎn)換部分的電路如圖2所示。

ADR433為D／A芯片AD5542的提供基準(zhǔn)源。

AD5542芯片內(nèi)部輸出沒(méi)有驅(qū)動(dòng)運(yùn)放，需要外加運(yùn)放使輸出為雙極性電壓，本電路選用的是OP97。

2．5 V／I轉(zhuǎn)換電路

OP97運(yùn)放輸出量程為±3．3V的電壓，需加一級(jí)V／I轉(zhuǎn)換電路。本電路所用的V／I轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
通過(guò)設(shè)置固定的5個(gè)碼值：FFFF，BFFF，8000，4000，0，用安捷倫高精度6位半萬(wàn)用表的Agilent34401，上電后經(jīng)過(guò)8個(gè)小時(shí)測(cè)試，其分辨率和精度均能達(dá)到15．7位。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于PXI總線的高精度恒流源設(shè)計(jì)，提供分辨率和精度均為15．7位的輸出電流，提高了抗干擾能力，適用于要求高精度測(cè)量的系統(tǒng)。