可编程增益多通道数据采集系统研究

1 引言

　　在科研和工程中，数据采集系统具有很广泛的应用，针对各类电压型传感器输出的信号伏值不同这种情况，本文提出了一种能够控制增益的数据采集系统。该系统以FPGA 作为逻辑控制核心，选用仪表运算放大器AD623 作放大电路，ADG704 作为模拟开关，通过对FPGA 进行编程配置，控制模拟开关选通不同的电阻，选通电阻配合AD623 实现放大。同时该系统可以对多通道配置不同的增益，从而可以采集不同传感器输出的信号。实现了采集范围宽的采集要求。

　　2 系统设计方案

　　本设计采用现场可编程门阵列（FPGA）作为主控单元，实现整个系统的逻辑控制。整个系统的原理框图如图1 所示。从整个流程来看，系统主要由以下几个模块组成：运算放大模块、AD 转换模块、可编程逻辑器件控制模块。

                                  图1 系统设计原理框图

　　整个系统的工作流程为：首先确定各通道输入信号范围，从而确定各通道的增益，对FPGA 进行编程配置，使ADG704 选中增益配置电阻，经AD623 放大后通过精密运放OP113 跟随输出，通过多路选择器切换将模拟信号输出至AD转换器，将转换完成的数据通过FPGA 存储在FLASH。完成整个系统的数据采集。

　　3 典型电路设计

　　下图2 为运算放大模块电路图。

                                                     点击看原图

                                         图2 仪表运算放大电路图

　　该模块的核心为仪表运放AD623，AD623 是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源(+3V～+12V)下提供满电源幅度的输出,其增益设置范围为1~1000。AD623 通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(ACCMRR)而保持最小的误差,线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200Hz 时仍保持恒定而受到抑制。增益可通过1 脚和8 脚之间的电阻设置，其公式如下：

　　G 为放大倍数。X R 为调节电阻。

　　图中输入信号前加一阶无源低通滤波器，滤除混叠在信号中的高频成分，信号截至频率可以通过f=1/2ΠRC 求得,同时在AD623 输出端又加一级分压滤波器,它与前一级滤波器构成二阶无源低通滤波器。对滤波后的信号进行放大，对于AD623，如果信号不加共模信号直接放大,输出信号最大将会被限制在1.25V。如图输入信号为0～20mv 正弦波，通过调节电阻使其增益设置为100，此时输出应为0～2V 的正弦波，但实际波形如下：

                                             信号输入波形

                                               信号输出波形

　　如果在输入端加2.5V 共模电压，电路图连接如图2，同样在输入端加0～20mv 正弦波，增益设置为100，输出波形如下：

                                             信号输出波形

　　为了提高驱动能力，如图2 中在AD623 输出端加一级跟随器OP113 作为驱动，因为AD623 设计为驱动10K 欧或以上的负载，如果负载小于10KΩ时，需要用一个精密运放作为缓冲提高驱动能力，接OP113 作为跟随驱动器，当负载小到600Ω时，也可以在负载上得到0～4V 的输出摆幅。

　　在图2 中ADG704 作为模拟开关，主要用来切换S1～S4 中的某一通道与D 导通，该选中通道与AD623 配合实现增益控制。对于ADG704 的控制，用可编程逻辑器件编程实现。控制使能和选择信号A1、A0、EN 通过真值表1 实现切换。           

表1 ADG704 真值表

　　4 结束语

　　本文提出的由可编程逻辑器件控制系统的放大倍数，充分利用了仪表运算放大器AD623 的增益可调功能及其优越性。每一路热电偶输入信号可以有多个不同的放大倍数，使得各种幅值不同的输入信号采集的实现更加方便、可靠、快捷。选用的16 位AD 转换器，以采集精度高、控制方便、转换速度快等优点，更大程度地优化了该系统。