基于FPGA實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)自適應(yīng)采集系統(tǒng)

0 引言
    目前，在PCM／FM遙測(cè)體系中模擬信號(hào)采集普遍采用8位量化，全部模擬信號(hào)均歸一化到O～5 V范圍內(nèi)，隨著需要采集的模擬信號(hào)的類型多樣化，勢(shì)必增加信號(hào)調(diào)理電路的多樣性，不利于系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(hào)中實(shí)際量化誤差等于N倍(N是信號(hào)被衰減的倍數(shù))的最小量化誤差，因此合理的信號(hào)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(gè)問(wèn)題，既簡(jiǎn)化了前端信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍和量化位數(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路模擬信號(hào)的自適應(yīng)采集，對(duì)其他信號(hào)采集系統(tǒng)也具有一定的借鑒意義。

l 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理電路、采集電路和時(shí)序控制等幾部分組成。被測(cè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)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(jì)的主要指標(biāo)：模擬信號(hào)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(hào)的最大幅度為±10 V。

2 系統(tǒng)各部分功能及實(shí)現(xiàn)
2．1 信號(hào)調(diào)理電路
    信號(hào)調(diào)理電路主要完成被測(cè)信號(hào)的阻抗匹配和電壓變換，設(shè)計(jì)時(shí)信號(hào)調(diào)理電路均采用差分輸入電路形式。針對(duì)不同類型的信號(hào)，通過(guò)調(diào)整電阻阻值即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)電路如圖2所示。

    整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路采用±12 V供電，根據(jù)信號(hào)類型將全部模擬信號(hào)調(diào)理到合適的范圍內(nèi)，以便充分利用A／D的輸入動(dòng)態(tài)范圍來(lái)實(shí)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(guò)級(jí)聯(lián)可以形成46路模擬信號(hào)通道，采用±12 V供電，保證調(diào)理后的信號(hào)不失真通過(guò)，12根地址線用來(lái)控制模擬信號(hào)的切換；A／D轉(zhuǎn)換器采用AD7892-1，其具有±10 V的輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍和12位的量化能力，信號(hào)輸入范圍設(shè)置為±10 V，控制線用來(lái)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(shí)序控制
    時(shí)序控制通過(guò)FPGA程序來(lái)實(shí)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(duì)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(kāi)關(guān)穩(wěn)定時(shí)間和A／D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)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(hào)的類型自動(dòng)選擇A／D的轉(zhuǎn)換器輸出碼位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了便于對(duì)后文的理解，表1給出AD7892-l輸入／輸出對(duì)應(yīng)碼表和處理后的碼表。

    前面信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)模擬信號(hào)的類型把信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的自適應(yīng)采集，保證信號(hào)的采集精度。數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊的FPGA程序示例如下：

     
    通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，該法是可行的。在不改變?nèi)魏斡布娐返那闆r下，通過(guò)FPGA程序可有效實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)量化，確保信號(hào)的量化精度。通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件即可恢復(fù)原始信號(hào)，如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    設(shè)計(jì)的基于FPGA的多路模擬信號(hào)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(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓動(dòng)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(hào)的采樣精度，具有一定的參考價(jià)值。