一種以FPGA為基礎的多路模擬信號自適應採集系統設計

2020-11-25 電子發燒友

一種以FPGA為基礎的多路模擬信號自適應採集系統設計

工程師青青 發表於 2018-08-21 09:20:00

0 引言

目前，在PCM／FM遙測體系中模擬信號採集普遍採用8位量化，全部模擬信號均歸一化到O～5 V範圍內，隨著需要採集的模擬信號的類型多樣化，勢必增加信號調理電路的多樣性，不利於系統的簡化和模塊化。在量化位數一定的系統中，被衰減處理的信號中實際量化誤差等於N倍（N是信號被衰減的倍數）的最小量化誤差，因此合理的信號調理電路和A／D取值是保證量化精度的關鍵。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理電路的複雜度，又充分利用了A／D轉換器的輸入電壓動態範圍和量化位數優勢，實現了對多路模擬信號的自適應採集，對其他信號採集系統也具有一定的借鑑意義。

l 系統設計

該系統主要由信號調理電路、採集電路和時序控制等幾部分組成。被測模擬信號經過信號調理電路後，經多路選擇器的快速切換，按需求依次送入A／D轉換器進行採樣，採樣後的數據送入FPGA中處理，系統框圖如圖1所示。

系統設計的主要指標：模擬信號通道數為46路；系統採樣率大於300 Kb／s；量化位數為8位；頻率響應範圍為DC～1 kHz；通道採樣率為100 Hz，200 Hz，400 Hz，500 Hz，800 Hz，1 kHz，2 kHz，4 kHz可選；A／D轉換器允許輸入信號的最大幅度為±10 V。

2 系統各部分功能及實現

2．1 信號調理電路

信號調理電路主要完成被測信號的阻抗匹配和電壓變換，設計時信號調理電路均採用差分輸入電路形式。針對不同類型的信號，通過調整電阻阻值即可實現信號的衰減、放大或者阻抗匹配，有利於電路形式的模塊化和標準化。信號調節電路如圖2所示。

整個信號調理電路採用±12 V供電，根據信號類型將全部模擬信號調理到合適的範圍內，以便充分利用A／D的輸入動態範圍來實現自適應採集。

2．2 採集電路

採集電路主要包括多路選擇器和A／D轉換器等，多路選擇器採用ADG406，通過級聯可以形成46路模擬信號通道，採用±12 V供電，保證調理後的信號不失真通過，12根地址線用來控制模擬信號的切換；A／D轉換器採用AD7892-1，其具有±10 V的輸入電壓動態範圍和12位的量化能力，信號輸入範圍設置為±10 V，控制線用來控制A／D轉換器的工作狀態，並將轉換後的12位數據全部接入FPGA中進行處理。

2．3 時序控制

時序控制通過FPGA程序來實現，主要完成多路選擇器的切換，A／D轉換器的控制和自適應採集邏輯等功能。對於多路選擇器的切換和A／D轉換器的控制邏輯，只要注意多路選擇器的開關穩定時間和A／D轉換器的採樣時刻即可完成數據採集。自適應採集就是根據已知模擬信號的類型自動選擇A／D的轉換器輸出碼位來實現的。為了便於對後文的理解，表1給出AD7892-l輸入／輸出對應碼錶和處理後的碼錶。

前面信號調理電路根據模擬信號的類型把信號分別調理到0～5 V，-5～-O V，-5～+5 V，O～+10 V，-10～-0 V，-10～+10 V等範圍內，結合表1的內容即可實現對模擬信號的自適應採集，保證信號的採集精度。數據自動轉換模塊的FPGA程序示例如下：

通過測試驗證，該法是可行的。在不改變任何硬體電路的情況下，通過FPGA程序可有效實現模擬信號的動態量化，確保信號的量化精度。通過數據處理軟體即可恢復原始信號，如圖3所示。

3 結語

設計的基於FPGA的多路模擬信號自適應採集系統，在有限的量化位數限制下，充分利用信號調理電路、A／D轉換器的輸入電壓動態範圍和12位的位寬，在相同的量化位數下提高了大部分模擬信號的採樣精度，具有一定的參考價值。

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