引言

隨著遙測系統(tǒng)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)復雜程度也隨之提高，因此在終端設計中，對信號源的頻率穩(wěn)定度、幅值范圍和頻率范圍提出了越來越高的要求。這就要求遙測系統(tǒng)具備高碼速、實時可重構、處理復雜結構的能力，傳統(tǒng)的數字電路難以實現這些復雜功能。FPGA（現場可編程門陣列）是近幾年發(fā)展起來的硬件可編程芯片，具有硬件密度高、結構靈活、可編程、加密性強等良好性能，在高速信號處理領域占有至關重要的地位，也為多路模擬量信號源的實現，提供了有效的途徑。本文針對遙測應用，以大容量FPGA器件為核心，實現了電源獨立的不同頻率、不同波形的多路模擬量信號源。

1 系統(tǒng)硬件設計

目前，大容量的FPGA主要有Altera、Xilinx、Lattice、Actel、Cypress等公司的產品。比較而言，Altera CycloneII系列FPGA芯片速度快、容量大、內嵌RAM多、并且有DSP硬件乘法器，是低成本、低功耗應用的最佳選擇。因此在本文中選用Altera公司的Cyclone II系列FPGA－EP2C8芯片，EP2C8芯片是1．25 V內核供電，具有8.256個邏輯單元（LE），36個M4K RAM塊，RAM總量為165，888，18個嵌入式乘法器以及208個管腳，其中包括182個最大可用I／O引腳。Altera公司有相應的開發(fā)軟件平臺Quartus II，此軟件功能強大，使用簡單，支持的器件種類眾多，可支持在線仿真，在線下載等，并具有豐富的IP核及邏輯功能模塊資源，便于使用VHDL+模塊／原理圖輸入界面等等。模擬量信號源主要包括中央控制FPGA單元、模擬量FPGA、靜態(tài)存儲SRAM、單路模擬量單元，如圖l所示，

整個系統(tǒng)使用USB 2．0接口與計算機進行通訊，信號由計算機軟件生成波形數據，通過USB口下載到主控FPGA，經過16位SRAM鎖存，將各路信號傳至模擬量FPGA，經由解碼分路選通，輸出電源獨立的不同頻率、不同波形的多路模擬量信號。其中包括4路單極性幅值O～30V，60路雙極性幅值±15V；四種波形分別為鋸齒波、正弦波和方波（占空比1：1），信號頻率為0～50Hz，以及固定電平，幅值可以初始設定，并可實現實時可調。

2 單路模擬量組成模塊設計

2．1 系統(tǒng)構成

單路模擬量由電源隔離單元、前端穩(wěn)壓單元、數模轉換（DAC）單元和運算放大單元等構成，具體構成如圖2所示，系統(tǒng)由雙18 V供電經過穩(wěn)壓單元輸出4．096 V，給DAC和運放芯片提供工作電壓，另外通過指令啟動信號在SPI總線上發(fā)送FPGA的CS、SCK、SDI信號，傳至單路模擬量，將相應數字量進行D／A轉換，得到的模擬量數據經由運算放大輸出，即可實現64路模擬量波形。系統(tǒng)時鐘同步輸出，具有很高的可靠性。

2．2 組成模塊設計

2．2．1 電源隔離單元

64路模擬量信號要求對每路信號進行獨立電源隔離，本文采用的ADUM1300是基于ADI公司磁耦隔離技術的通用型三通道數字隔離器，經過自制高壓隔離信號調理電路，可以輸出系統(tǒng)任務要求的相互隔離的、獨立基準模擬量信號，實現SPI接口和數字轉換器的隔離。它采用了高速CMOS工藝和芯片級的變壓器技術，在性能、功耗、體積等各方面都有光電隔離器件無法比擬的優(yōu)勢。ADUM130數字隔離器在一個器件中提供三個獨立的隔離通道，兩端工作電壓為2．7V～5．5V，支持低電壓工作，并能實現電平轉換。另外，ADUM130具有很低的脈寬失真（《3ns），功耗僅為0．8mA，工作電壓為3V／5V，傳輸速率為1M／25M／90Mb／s，ADuM130還具有直流校正功能，有一個刷新電路保證即使不存在輸入跳變的情況下，輸出狀態(tài)也能與輸入狀態(tài)相匹配，這對于上電狀態(tài)和具有低數據速率的輸入波形或恒定的直流輸入情況是很重要的。

2．2．2 前端穩(wěn)壓單元

REF198精密電壓基準，初始精度0．05％，溫漂5ppm／℃，輸出電流30mA，最大電源電流45 μ A，電源電壓范圍6．4V～15V，輸出電壓4．096V，每路輸出電壓與理論設置值的誤差在30mV以內；每路驅動能力不低于5mA；該芯片同時為數模轉換（DAC）模塊和運放模塊提供工作電壓。

2．2．3 DAC單元

MCP4821是12位DAC芯片，本文中是單電源供電，32．768 MHz時鐘支持的SPI接口，溫漂50ppm／℃，電源電壓范圍2．7V～5．5V，內部參考電壓為2．048V，FPGA向MCP4821寫入16位數據，如圖3所示，高四位是芯片配置位（Config bits），其它12位是數據位（data bits），在CS信號上升沿有效時，經過16個時鐘脈沖完成轉換。

2．2．4 運算放大單元

AD824運算放大器是美國AD公司生產的單電源、低功耗、精密場效應輸入的運算放大器。采用雙電源工作時，它的輸出電壓能夠達到電源的正負電源電壓。AD824的芯片內含有四個性能匹配的運算放大器。在本設計的雙電源工作時，額定工作電壓由±1．5v到±18v。它們的輸出電壓擺幅僅比電源電壓小10mV。輸入信號有可能出現大于+VS時，運算放大器的同相輸入端串聯一個電阻，典型值為1k Ω，就能防止輸入信號的相位反相，但將產生附加的輸入電壓噪聲。

3 電磁干擾設計

在整個電路系統(tǒng)中，電磁干擾主要出現在輸入與輸出接口處，其內部結構一般不會出現電磁干擾。本系統(tǒng)對輸入輸出信號進行接口保護，防止電磁干擾的產生；并采用線性電源及電源濾波模塊，關鍵模塊均進行電磁屏蔽，以最大程度降低模塊問的互擾。如圖3所示，左側為有電磁干擾的正弦波，可以很明顯地看出，在正弦波波峰位置突然出現一個下拉電平，經過多次分析，此現象為輸入電源受到嚴重干擾而引起，右側為經過II濾波模塊后的波形。

4 結束語

本文應用FPGA實現了模擬／數字信號采集系統(tǒng)設計，異步串行數據傳輸等，并且通過多路切換開關循環(huán)采集，實現了對高速信號的采集和精確的電路設計，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，數據采集精度較高，抗干擾能力較強，具有很高的使用價值和良好的應用前景。經過多次長時間上電測試，能產生頻率、幅值可調的波形信號，每路波形輸出電壓基準隔離，調節(jié)精度高達1％，遠高于普通的信號源，完全滿足系統(tǒng)設計的要求，已成功應用于某遙測信號源。

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