基于FPGA的多路模拟信号源设计

0 引言
    随着遥测系统的不断发展，系统复杂程度也随之提高，因此在终端设计中，对信号源的频率稳定度、幅值范围和频率范围提出了越来越高的要求。这就要求遥测系统具备高码速、实时可重构、处理复杂结构的能力，传统的数字电路难以实现这些复杂功能。FPGA(现场可编程门阵列)是近几年发展起来的硬件可编程芯片，具有硬件密度高、结构灵活、可编程、加密性强等良好性能，在高速信号处理领域占有至关重要的地位，也为多路模拟量信号源的实现，提供了有效的途径。本文针对遥测应用，以大容量FPGA器件为核心，实现了电源独立的不同频率、不同波形的多路模拟量信号源。

1 系统硬件设计
    目前，大容量的FPGA主要有Altera、Xilinx、Lattice、Actel、Cypress等公司的产品。比较而言，Altera CycloneII系列FPGA芯片速度快、容量大、内嵌RAM多、并且有DSP硬件乘法器，是低成本、低功耗应用的最佳选择。因此在本文中选用Altera公司的Cyclone II系列FPGA－EP2C8芯片，EP2C8芯片是1．25 V内核供电，具有8.256个逻辑单元(LE)，36个M4K RAM块，RAM总量为165，888，18个嵌入式乘法器以及208个管脚，其中包括182个最大可用I／O引脚。Altera公司有相应的开发软件平台Quartus II，此软件功能强大，使用简单，支持的器件种类众多，可支持在线仿真，在线下载等，并具有丰富的IP核及逻辑功能模块资源，便于使用VHDL+模块／原理图输入界面等等。模拟量信号源主要包括中央控制FPGA单元、模拟量FPGA、静态存储SRAM、单路模拟量单元，如图l所示，

    整个系统使用USB 2．0接口与计算机进行通讯，信号由计算机软件生成波形数据，通过USB口下载到主控FPGA，经过16位SRAM锁存，将各路信号传至模拟量FPGA，经由解码分路选通，输出电源独立的不同频率、不同波形的多路模拟量信号。其中包括4路单极性幅值O～30V，60路双极性幅值±15V；四种波形分别为锯齿波、正弦波和方波(占空比1：1)，信号频率为0～50Hz,以及固定电平，幅值可以初始设定，并可实现实时可调。

2 单路模拟量组成模块设计
2．1 系统构成
    单路模拟量由电源隔离单元、前端稳压单元、数模转换(DAC)单元和运算放大单元等构成，具体构成如图2所示，系统由双18 V供电经过稳压单元输出4．096 V，给DAC和运放芯片提供工作电压，另外通过指令启动信号在SPI总线上发送FPGA的CS、SCK、SDI信号，传至单路模拟量，将相应数字量进行D／A转换，得到的模拟量数据经由运算放大输出，即可实现64路模拟量波形。系统时钟同步输出，具有很高的可靠性。

2．2 组成模块设计
2．2．1 电源隔离单元
    64路模拟量信号要求对每路信号进行独立电源隔离，本文采用的ADUM1300是基于ADI公司磁耦隔离技术的通用型三通道数字隔离器，经过自制高压隔离信号调理电路，可以输出系统任务要求的相互隔离的、独立基准模拟量信号，实现SPI接口和数字转换器的隔离。它采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术，在性能、功耗、体积等各方面都有光电隔离器件无法比拟的优势。ADUM130数字隔离器在一个器件中提供三个独立的隔离通道，两端工作电压为2．7V～5．5V，支持低电压工作，并能实现电平转换。另外，ADUM130具有很低的脉宽失真(<3ns)，功耗仅为0．8mA，工作电压为3V／5V，传输速率为1M／25M／90Mb／s，ADuM130还具有直流校正功能，有一个刷新电路保证即使不存在输入跳变的情况下，输出状态也能与输入状态相匹配，这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况是很重要的。[!--empirenews.page--]
2．2．2 前端稳压单元
    REF198精密电压基准，初始精度0．05％，温漂5ppm／℃，输出电流30mA，最大电源电流45 μ A，电源电压范围6．4V～15V，输出电压4．096V，每路输出电压与理论设置值的误差在30mV以内；每路驱动能力不低于5mA；该芯片同时为数模转换(DAC)模块和运放模块提供工作电压。
2．2．3 DAC单元
    MCP4821是12位DAC芯片，本文中是单电源供电，32．768 MHz时钟支持的SPI接口，温漂50ppm／℃，电源电压范围2．7V～5．5V，内部参考电压为2．048V，FPGA向MCP4821写入16位数据，如图3所示，高四位是芯片配置位(Config bits)，其它12位是数据位(data bits)，在CS信号上升沿有效时，经过16个时钟脉冲完成转换。

2．2．4 运算放大单元
    AD824运算放大器是美国AD公司生产的单电源、低功耗、精密场效应输入的运算放大器。采用双电源工作时，它的输出电压能够达到电源的正负电源电压。AD824的芯片内含有四个性能匹配的运算放大器。在本设计的双电源工作时，额定工作电压由±1．5v到±18v。它们的输出电压摆幅仅比电源电压小10mV。输入信号有可能出现大于+VS时，运算放大器的同相输入端串联一个电阻，典型值为1k Ω，就能防止输入信号的相位反相，但将产生附加的输入电压噪声。

3 电磁干扰设计
    在整个电路系统中，电磁干扰主要出现在输入与输出接口处，其内部结构一般不会出现电磁干扰。本系统对输入输出信号进行接口保护，防止电磁干扰的产生；并采用线性电源及电源滤波模块，关键模块均进行电磁屏蔽，以最大程度降低模块问的互扰。如图3所示，左侧为有电磁干扰的正弦波，可以很明显地看出，在正弦波波峰位置突然出现一个下拉电平，经过多次分析，此现象为输入电源受到严重干扰而引起，右侧为经过II滤波模块后的波形。

4 结束语
    本文应用FPGA实现了模拟／数字信号采集系统设计，异步串行数据传输等，并且通过多路切换开关循环采集，实现了对高速信号的采集和精确的电路设计，系统性能稳定，数据采集精度较高，抗干扰能力较强，具有很高的使用价值和良好的应用前景。经过多次长时间上电测试，能产生频率、幅值可调的波形信号，每路波形输出电压基准隔离，调节精度高达1％，远高于普通的信号源，完全满足系统设计的要求，已成功应用于某遥测信号源。