基于Δ-Σ技术和FPGA的数据采集系统

摘 要: 为了改善传统数据采集系统运算能力差、分辨率低、可靠性低等缺点，结合Δ-Σ技术和FPGA，设计了一种多通道、高分辨率、宽动态范围的新型数据采集系统。提出了一种由Δ-Σ A/D转换芯片、高性能FPGA和DSP组成的数据采集系统方案及其硬件电路实现方法。系统利用A/D器件对信号进行滤波、放大、差分转换和模数转换，利用FPGA设计内部模块和时钟信号进行电路控制及实现数据缓存、数据传递等功能，由高速DSP芯片核心控制，对采样数据进行实时处理。系统能实现24位高分辨率、宽动态范围的信号数据采集与高速实时处理，可用于电压、电流、温度等参量的采集系统中。
关键词: 数据采集; Δ-Σ技术; FPGA; 高分辨率; 宽动态范围

在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常需要对各种数据进行采集。传统的数据采集系统运算能力差、分辨率低、可靠性低、一致性差，而图像处理、瞬态信号检测、软件无线电等一些领域需要技术指标的稳定性强，一致性好，且具备高速度、抗干扰、高分辨率特点的数据采集与处理能力。随着24 bit Δ-Σ A/D转换技术的成熟，一些高性能的现场可编程逻辑门阵列器件FPGA和Δ-Σ A/D转换技术结合高性能数字信号处理器DSP应用于数据采集系统中，大大提高了系统的采集精度、分辨率、动态范围及稳定性。Δ-Σ技术是:用简单换取速度,用高速度代替低速度的组织协调；模拟量化部分简化,而数字部分增多，各量化电路的性能高度一致,抗干扰能力和温度性能优越；丢掉了滤波、主放、陷波电路,电路进一步简化,性能更加稳定。在高速数据采集方面，FPGA具有速度快、效率高的优势，非常适于大数据量的高速传输控制,其组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口等各种电路。同时,FPGA控制器是独立单元,在电路中能分担CPU工作量,不但提高了CPU实时处理能力，而且提高了系统稳定性。本系统中，FPGA选用FLEX10K20芯片，DSP选用高性能浮点芯片TMS320VC33，该芯片具有高速、低功耗、低成本、易于开发的特点[1-4]。
1 数据采集系统的组成
系统组成框图如图1所示,主要由模拟信号调理电路、A/D转换电路、FPGA单元、DSP单元等组成。模拟信号调理电路与A/D器件对信号进行滤波、放大、差分转换和模数转换，利用FPGA设计内部模块和时钟信号对电路进行控制及实现数据缓存、数据传递等功能，由高速DSP芯片核心控制，对采样数据进行实时处理。

2 数据采集系统的关键设计
2.1 模拟信号调理电路
　模拟信号调理电路包括前置低通检波电路、程控放大器、单端信号转双端信号三部分。该电路在信号输入到A/D转换器前对信号进行滤波、放大等处理。前置低通检波电路主要是对检波器的输出信号进行低通滤波。程控放大器对微弱信号进行幅度调整。检波器输出的信号是差分双端信号，经过程控放大器后变为单端信号。为提高信号采集通道的共模抑制比，后续电路中加入了差分线性放大器将单端信号转换为双端信号，最后进入A/D转换器进行采集。
2.2 A/D 转换的硬件接口电路
　Δ-Σ A/D转换器的工作原理是无需保持电路,对抗混叠滤波器和量化器的要求低，但对数字滤波器要求高。工作时，模拟输入经抗混叠滤波器后变为带限模拟信号，经Δ-Σ调制器后变为信号频谱和噪声频谱相分离的高速比特流信号，然后再经数字滤波器重构出奈奎斯特取样频率的高分辨率数字信号[5]。
　系统A/D转换接口电路是由Δ-Σ转换技术的A/D转换套片CS5372、CS5376和现场可编程逻辑器件FPGA通过主控芯片的控制实现。CS5372、CS5376是根据Δ-Σ转换原理共同实现24 bit Δ-Σ A/D转换的一套芯片，其分辨率能达到24 bit，动态范围可达到124 dB和121 dB。CS5372可应用于双通道高动态范围、4阶Δ-Σ调制器,与CS5376数字滤波器结合使用，可构成独特的24 bit高分辨率A/D测量系统。A/D转换的硬件接口电路主要是指CS5372、CS5376与FPGA的硬件连接电路。其连接图如图2所示。