FPGA數(shù)字變換器控制電路設(shè)計攻略 —電路圖天天讀（102）

　　在飛行器發(fā)射試驗中，常用遙測系統(tǒng)獲取其內(nèi)部各系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，為評定飛行器的性能及故障分析提供依據(jù)。數(shù)字量變換器作為遙測系統(tǒng)彈上的重要設(shè)備，它的主要功能是控制接收彈上的各種飛行參數(shù)。變換器性能的優(yōu)劣將直接影響遙測結(jié)果，對飛行器研制和試驗過程中試驗數(shù)據(jù)的測試產(chǎn)生很大影響，將關(guān)系到飛行器試驗的成敗和以后飛行器性能的改進和提高。在飛行器的研制過程中，多次試驗和考核是非常重要的。對數(shù)字量變換器做出準確、客觀、可靠地評價是其生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而這一環(huán)節(jié)只能由變換器測試系統(tǒng)來完成?？删幊踢壿嬈骷?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA）以其高速、可重構(gòu)、設(shè)計靈活、開發(fā)費用低、I/O 引腳和內(nèi)部資源豐富的等優(yōu)點，在近代測試系統(tǒng)中贏得了越來越廣泛的應(yīng)用。本文以FPGA 為邏輯控制中心設(shè)計的測試系統(tǒng)，主要是對數(shù)字量變換器進行單元測試，在其實際研制和調(diào)試過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　系統(tǒng)設(shè)計時，采用模塊化設(shè)計的思想，按照技術(shù)指標設(shè)計各個功能模塊，通過各模塊之間的協(xié)調(diào)配合完成系統(tǒng)的測試任務(wù)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由計算機、USB 芯片F(xiàn)T245、兩片FPGA、輸出電源電壓控制模塊、計算機字信號發(fā)送模塊、勤務(wù)信號發(fā)送模塊、計算機字數(shù)碼與指令數(shù)碼接收模塊和指令信號發(fā)送模塊組成。模塊化設(shè)計能夠使在進行系統(tǒng)調(diào)試和硬件編程時，簡單、快速的定位并解決問題。

　　硬件電路選用XILINX 公司的XC3S200-208和XC2S100-208兩片F(xiàn)PGA 作為系統(tǒng)的邏輯控制中心，其中XC3S200-208作為主控芯片，主要實現(xiàn)對上位機的命令接收和判斷，進而產(chǎn)生和發(fā)送計算機字信號，接收計算機字數(shù)碼和指令數(shù)碼并編幀、上傳數(shù)據(jù)至上位機；XC2S100-208作為從控制芯片，完成128路指令信號的發(fā)送；兩片F(xiàn)PGA 之間采用串行通信的方式發(fā)送控制命令來實現(xiàn)通訊。另外，通過上位機軟件可以實現(xiàn)向系統(tǒng)發(fā)送復位或停止命令，這樣能夠減少硬件的功耗并提高測試系統(tǒng)的工作效率。

　　USB 接口模塊實現(xiàn)

　　USB 具有成本低、通用性好、連接簡單、支持熱拔插等特點，而從系統(tǒng)實際的速率傳輸要求出發(fā)，設(shè)計采用通用USB 接口芯片F(xiàn)T245BM 實現(xiàn)與上位機的通信。FT245BM 主要的功能是在內(nèi)部邏輯的作用下實現(xiàn)數(shù)據(jù)串/并雙向轉(zhuǎn)換，它的最大傳輸速率可以達到M/s.FT245BM 免去了復雜的固件編程及驅(qū)動程序的編寫，能夠簡化USB 的接口設(shè)計，為系統(tǒng)節(jié)省設(shè)計時間。

　　FT245BM 的8位數(shù)據(jù)線D7~D0、讀信號RD、寫信號WR、發(fā)送使能TXE、接收數(shù)據(jù)完畢信號RXF 與FPGA 連接，來完成兩者的通信。計算機通過應(yīng)用程序、動態(tài)鏈接庫的有效配合將控制命令信號發(fā)送到FT245BM，F(xiàn)PGA 利用與之相連的I/O 口接收下發(fā)的控制命令或是發(fā)送上傳的測試數(shù)據(jù)。

　　輸出電源電壓控制模塊實現(xiàn)

　　由于需要為被測數(shù)字量變換器提供3檔工作電壓25V、28V、31V，在電源模塊輸出端連接三種不同阻值的電阻，就可以實現(xiàn)3種電壓的切換，實現(xiàn)控制的電路如圖3所示。

　　圖中VCON+，VCON-為電源模塊的輸入電壓，R25、R26、R27三組電位器用來調(diào)節(jié)電阻。25VCON、31VCON 分別與FPGA 的I/O 相連，是FPGA 給出的控制信號，電路中三極管的作用是利用其電流放大來增加信號的驅(qū)動能力。通過FPGA 對控制命令的判斷來實現(xiàn)3檔電壓的控制。此外，系統(tǒng)的默認及復位的輸出電壓為28V。

　　計算機字信號發(fā)送模塊實現(xiàn)

　　由于要求計算機字和移位脈沖的幅值都為8~10V，所以電路中采用運算放大器電路對FPGA 輸出的信號進行放大來獲取所需幅值的信號。計算機字信號發(fā)送電路如圖4所示。

　　為了滿足輸出信號的精度和電流驅(qū)動能力的要求，本模塊中采用AD 公司的運放AD811來設(shè)計電路。此運算放大器是高速運放，采用雙電源供電，2500V/us 是其最高轉(zhuǎn)換速率，具有較低的電流、電亞噪聲。設(shè)計中采用同相放大電壓串聯(lián)型負反饋電路，輸出電壓穩(wěn)定并且反饋效果好。電路中R83的接地是為了盡量減小由于偏置電流引起的電壓失調(diào)，其阻值等于R22和R60的并聯(lián)阻值，為R22//R60=666Ω。

　　勤務(wù)信號發(fā)送模塊實現(xiàn)

　　計算機字信號和指令信號都有相應(yīng)的勤務(wù)信號來滿足時序要求，一般勤務(wù)信號就是指幀、碼同步信號，對其他信號的產(chǎn)生和接收起到時序基準同步的作用。指令勤務(wù)信號的電路原理如圖5所示。計算機字勤務(wù)信號與其原理相同。根據(jù)系統(tǒng)的信號輸出要求，即幀、碼同步信號的幅值和電流驅(qū)動能力的要求，采用非門芯片SN5405J 作為驅(qū)動電路來滿足設(shè)計要求。

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　　數(shù)碼接收模塊實現(xiàn)測試系統(tǒng)需要接收經(jīng)變換器處理之后的信號，變換器以數(shù)碼方式回傳給測試系統(tǒng)，包括計算機數(shù)碼和指令數(shù)碼，兩者的接收原理相同。設(shè)計采用光耦隔離的方式對數(shù)碼信號進行接收，其電路原理圖如圖6所示。

　　光電耦合器采用TI 公司的HCPL-2631，它具有電絕緣能力和抗干擾能力，并且能有效的抑制各種噪聲和尖峰脈沖干擾。它的兩個輸入端分別接收計算機字數(shù)碼和指令數(shù)碼，其中在光耦輸入端連接的二極管作用是用來防止信號反跳造成內(nèi)部二極管燒壞。

　　指令信號發(fā)送模塊實現(xiàn)

　　指令信號是指一種斷開或閉合的開關(guān)量信號。此模塊的128路指令信號全部采用光耦繼電器來實現(xiàn)，依據(jù)參數(shù)要求選擇AQY210作為控制開關(guān)的器件，它的特點是耐高壓，反應(yīng)速度快，使用時間長。其單路指令信號發(fā)送電路原理如圖7所示。

　　由由于指令信號的路數(shù)比較多，如果FPGA 的I/O 口輸出直接驅(qū)動AQY210，勢必會增加FPGA 的功耗。因此采用三極管對FPGA 的輸出信號進行電流放大來提高控制信號的驅(qū)動能力。本設(shè)計采用NPN 型三極管3DK103，圖中3order1是FPGA 的輸出信號，其為‘0’時，三極管截止；其為‘1’時，三極管處于電流放大，流經(jīng)光繼電器發(fā)光管的電流13mA 足以使AQY210導通。

　　測試系統(tǒng)充分利用FPGA 強大的內(nèi)部邏輯功能和與外圍硬件電路的設(shè)計，來達到系統(tǒng)的測試功能。通過測試系統(tǒng)和數(shù)字量變換器的聯(lián)試，驗證了系統(tǒng)各項的輸出，對數(shù)字量變換器的性能做出權(quán)衡性的檢測。
電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評分析：

　　本文以FPGA 為控制核心，開展數(shù)字量變換器測試系統(tǒng)設(shè)計， 系統(tǒng)通過USB 實現(xiàn)與計算機的通信，能夠產(chǎn)生計算機字信號及相應(yīng)移位脈沖信號、勤務(wù)信號和128路指令信號，并能接收經(jīng)過數(shù)字量變換器變化后的計算機數(shù)碼和指令數(shù)碼信號，測試系統(tǒng)能夠完成對數(shù)字量變換器各項性能指標的測試。實驗表明，測試系統(tǒng)精度及可靠性高、實時性好，已經(jīng)成功應(yīng)用于某遙測系統(tǒng)中。
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