基于FPGA實現(xiàn)多路模擬信號自適應(yīng)采集系統(tǒng)的設(shè)計

0 引言

　　目前,在PCM／FM遙測體系中模擬信號采集普遍采用8位量化,全部模擬信號均歸一化到O～5 V范圍內(nèi),隨著需要采集的模擬信號的類型多樣化,勢必增加信號調(diào)理電路的多樣性,不利于系統(tǒng)的簡化和模塊化。在量化位數(shù)一定的系統(tǒng)中,被衰減處理的信號中實際量化誤差等于N倍(N是信號被衰減的倍數(shù))的最小量化誤差,因此合理的信號調(diào)理電路和A／D取值是保證量化精度的關(guān)鍵。本文提供的方式有效地解決了這個問題,既簡化了前端信號調(diào)理電路的復(fù)雜度,又充分利用了A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓動態(tài)范圍和量化位數(shù)優(yōu)勢,實現(xiàn)了對多路模擬信號的自適應(yīng)采集,對其他信號采集系統(tǒng)也具有一定的借鑒意義。

　　l 系統(tǒng)設(shè)計

　　該系統(tǒng)主要由信號調(diào)理電路、采集電路和時序控制等幾部分組成。被測模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后,經(jīng)多路選擇器的快速切換,按需求依次送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣,采樣后的數(shù)據(jù)送入FPGA中處理,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計的主要指標(biāo)：模擬信號通道數(shù)為46路;系統(tǒng)采樣率大于300 Kb／s;量化位數(shù)為8位;頻率響應(yīng)范圍為DC～1 kHz;通道采樣率為100 Hz,200 Hz,400 Hz,500 Hz,800 Hz,1 kHz,2 kHz,4 kHz可選;A／D轉(zhuǎn)換器允許輸入信號的最大幅度為±10 V。

　　2 系統(tǒng)各部分功能及實現(xiàn)

　　2．1 信號調(diào)理電路

　　信號調(diào)理電路主要完成被測信號的阻抗匹配和電壓變換,設(shè)計時信號調(diào)理電路均采用差分輸入電路形式。針對不同類型的信號,通過調(diào)整電阻阻值即可實現(xiàn)信號的衰減、放大或者阻抗匹配,有利于電路形式的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。信號調(diào)節(jié)電路如圖2所示。

整個信號調(diào)理電路采用±12 V供電,根據(jù)信號類型將全部模擬信號調(diào)理到合適的范圍內(nèi),以便充分利用A／D的輸入動態(tài)范圍來實現(xiàn)自適應(yīng)采集。

　　2．2 采集電路

　　采集電路主要包括多路選擇器和A／D轉(zhuǎn)換器等,多路選擇器采用ADG406,通過級聯(lián)可以形成46路模擬信號通道,采用±12 V供電,保證調(diào)理后的信號不失真通過,12根地址線用來控制模擬信號的切換;A／D轉(zhuǎn)換器采用AD7892-1,其具有±10 V的輸入電壓動態(tài)范圍和12位的量化能力,信號輸入范圍設(shè)置為±10 V,控制線用來控制A／D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài),并將轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)全部接入FPGA中進(jìn)行處理。

　　2．3 時序控制

　　時序控制通過FPGA程序來實現(xiàn),主要完成多路選擇器的切換,A／D轉(zhuǎn)換器的控制和自適應(yīng)采集邏輯等功能。對于多路選擇器的切換和A／D轉(zhuǎn)換器的控制邏輯,只要注意多路選擇器的開關(guān)穩(wěn)定時間和A／D轉(zhuǎn)換器的采樣時刻即可完成數(shù)據(jù)采集。自適應(yīng)采集就是根據(jù)已知模擬信號的類型自動選擇A／D的轉(zhuǎn)換器輸出碼位來實現(xiàn)的。為了便于對后文的理解,表1給出AD7892-l輸入／輸出對應(yīng)碼表和處理后的碼表。

前面信號調(diào)理電路根據(jù)模擬信號的類型把信號分別調(diào)理到0～5 V,-5～-O V,-5～+5 V,O～+10 V,-10～-0 V,-10～+10 V等范圍內(nèi),結(jié)合表1的內(nèi)容即可實現(xiàn)對模擬信號的自適應(yīng)采集,保證信號的采集精度。數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換模塊的FPGA程序示例如下：

通過測試驗證,該法是可行的。在不改變?nèi)魏斡布娐返那闆r下,通過FPGA程序可有效實現(xiàn)模擬信號的動態(tài)量化,確保信號的量化精度。通過數(shù)據(jù)處理軟件即可恢復(fù)原始信號,如圖3所示。


　　3 結(jié)語

　　設(shè)計的基于FPGA的多路模擬信號自適應(yīng)采集系統(tǒng),在有限的量化位數(shù)限制下,充分利用信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓動態(tài)范圍和12位的位寬,在相同的量化位數(shù)下提高了大部分模擬信號的采樣精度,具有一定的參考價值。