依附于FPGA自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能的信號(hào)采集電路開發(fā)

宋會(huì)良 李京華 李永飛

摘 要 伴隨被測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的增加，測(cè)量設(shè)備一定要具有一定的自動(dòng)量程能力，所以本人提出了一種具備自動(dòng)量程功能的信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)模式。依附于逐次對(duì)比的理念，此電路通過模擬電路，對(duì)信號(hào)予以辨識(shí)，在此基礎(chǔ)上經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）控制繼電器切換至所需的量程，因此達(dá)到自動(dòng)量程功能所需的功能。通過一系列的測(cè)試，此電路可以對(duì)信號(hào)予以精準(zhǔn)的量程辨識(shí)，從根本確保了測(cè)量的有效性。

【關(guān)鍵詞】可編程邏輯門陣列 自動(dòng)量程 轉(zhuǎn)換功能 信號(hào)采集 電路

在被測(cè)電壓信號(hào)區(qū)間從幾伏變?yōu)閹装俜臓顟B(tài)下，為有效確保測(cè)量精準(zhǔn)性，一定要依附于信號(hào)幅值擇取相適應(yīng)的量程，所以測(cè)試裝置的量程切換問題也隨之凸顯。常規(guī)設(shè)備大多為人工換檔，因此具有工作量大、無法確保換擋同步性的問題。所以，開發(fā)具有量程自動(dòng)切換功能的信號(hào)采集電路，對(duì)實(shí)際測(cè)試工作有著深遠(yuǎn)的意義。文章將以依附于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能的信號(hào)采集電路開發(fā)作為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上予以深入的探究，相關(guān)內(nèi)容如下所述。

1 信號(hào)采集電路系統(tǒng)構(gòu)成

眾所周知，信號(hào)的幅值改變區(qū)間較大，所以要依附于相應(yīng)的比例予以衰減，完成衰減的信號(hào)要通過濾波后傳輸至單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在此基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列控制單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)采集。同時(shí)輸入至量程辨識(shí)電路，進(jìn)而獲取有效的量程指示信號(hào)，再通過現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列檢測(cè)到此信號(hào)，控制繼電器通斷，因此達(dá)到量程自動(dòng)切換的目的。

通過上述分析我們可以總結(jié)出，此信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)即為下述幾方面：

（1）設(shè)計(jì)有針對(duì)性的量程辨識(shí)電路與現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列控制程序關(guān)；

（2）擇取有效的電壓衰減電路；

（3）選用配套的單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

（4）依附于信號(hào)的改變區(qū)間擇取相適應(yīng)的切換開。

2 針對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路中包括：

（1）電壓跟隨電路；

（2）信號(hào)衰減電路；

（3）濾波電路。

為有效避免采集電路自身對(duì)信號(hào)所產(chǎn)生的衰減造成測(cè)量精度降低，在擇取電路過程中，一定要選擇高輸入阻抗的電路。此次研究采集電路分壓電阻網(wǎng)絡(luò)通過900k歐姆、9M歐姆、10k歐姆以及90k歐姆，精度為千分之一的電阻串聯(lián)而成，輸入阻抗超過10M歐姆。

此分壓電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)予以全面衰減。完成衰減后的信號(hào)通過濾波后傳輸。切換開關(guān)我們擇取歐姆龍的G3VM-601BY-EY光控繼電器，隔離電壓為五千伏，響應(yīng)速率為一毫秒。

為避免信號(hào)從低向高跳變瞬間開關(guān)無法第一時(shí)間動(dòng)作而導(dǎo)致后級(jí)電路受損，此設(shè)計(jì)擇取穩(wěn)壓二極管電路予以雙向穩(wěn)壓，進(jìn)而全面確保運(yùn)算放大器輸入的安全性。信號(hào)調(diào)理電路示意見圖1。

常規(guī)萬用表的測(cè)量電路通常擇取平均參數(shù)或有效參數(shù)電路予以交流/直流轉(zhuǎn)換，采集信號(hào)的均值或交流有效參數(shù)，進(jìn)而作為量程評(píng)定的基礎(chǔ)，電路便捷，且可以有效節(jié)約成本。這種評(píng)定對(duì)不失真的正弦信號(hào)具有優(yōu)異的辨識(shí)能力，不過在輸入方波與三角波等非正弦信號(hào)，或正弦信號(hào)出現(xiàn)畸變及失真的狀態(tài)下，其效果不顯著。

信號(hào)的有效參數(shù)雖然為同步量程，不過其幅度的最大參數(shù)已經(jīng)超過當(dāng)前量程極值，所以會(huì)存在誤判的問題，進(jìn)而造成量程開關(guān)無法正確動(dòng)作，因此影響測(cè)量的精準(zhǔn)度。為了避免上述問題，我們采集電路選擇可被測(cè)信號(hào)幅值的絕對(duì)參數(shù)作為量程評(píng)定指標(biāo)。在輸入信號(hào)從低變高的狀態(tài)下，電路跟隨其峰值的改變，第一時(shí)間切換到相應(yīng)的量程區(qū)間，不過在信號(hào)減小的狀態(tài)下，電路會(huì)把其峰值制衡于一定時(shí)間，這樣能夠防止因?yàn)殚_關(guān)反復(fù)動(dòng)作而導(dǎo)致錯(cuò)誤測(cè)量。量程評(píng)定電路構(gòu)成包括：

（1）峰值保持電路；

（2）絕對(duì)值電路；

（3）電壓比較電路。

此次研究擇取ADS8323 作為采集電路的單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

3 控制程序的設(shè)計(jì)

采集電路數(shù)字控制通過量程選擇開關(guān)控制、量程信號(hào)辨識(shí)以及單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)控制所構(gòu)成。

量程指示信號(hào)通過兩路對(duì)比器輸出。兩瓦電壓即為現(xiàn)階段量程極值，0.2瓦電壓即為現(xiàn)階段量程下限。現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列經(jīng)檢測(cè)此編碼予以量程檔位辨識(shí)。

此系統(tǒng)測(cè)量的有效參數(shù)為零至三百伏、直流偏置為負(fù)四十伏至四十伏的交流信號(hào)。要確保足夠的裕量，設(shè)計(jì)最大量程為五百Vp。單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量信號(hào)區(qū)間設(shè)為 -2.5瓦～+2.5 瓦，要確保足夠的裕量，設(shè)計(jì)實(shí)際轉(zhuǎn)換電壓區(qū)間為-2瓦～+2 瓦，所以量程檔位分為0瓦～2瓦、2瓦～20瓦、20瓦～200瓦、200瓦～500瓦?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列控制引腳輸出為“1”的狀態(tài)下，繼電器導(dǎo)通，輸出為“0”的狀態(tài)下，繼電器斷開。

單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換控制，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)為五十赫茲的交流信號(hào)，在工程上通常擇取使倍以上采樣率對(duì)信號(hào)予以采樣。此采集系統(tǒng)擇取五千赫采樣頻率。晶振產(chǎn)生十兆赫通過兩千分頻產(chǎn)生五千赫的采樣階段性信號(hào)。在各采樣階段中，開啟單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)被測(cè)信號(hào)予以轉(zhuǎn)換，完成轉(zhuǎn)換后錄入采樣參數(shù)，完成讀數(shù)后進(jìn)入等待采樣狀態(tài)。

在各采樣階段，要先把信號(hào)代碼段寄存器置低，在此基礎(chǔ)上把啟動(dòng)采樣信號(hào)置低，啟動(dòng)單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)入轉(zhuǎn)換狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上占線信號(hào)開始從低變高，即為單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換處于忙碌狀態(tài)。同時(shí)將信號(hào)代碼段寄存器信號(hào)置高。

在第十七個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升，占線信號(hào)在不超過二十五納秒的時(shí)間內(nèi)從高變低，結(jié)束轉(zhuǎn)換過程。在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列檢測(cè)到占線下降沿信號(hào)的時(shí)候，進(jìn)入讀數(shù)準(zhǔn)備狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上將片選信號(hào)代碼段寄存器重新置低，同時(shí)把遠(yuǎn)程服務(wù)信號(hào)置低，經(jīng)四十納秒以上的時(shí)間，單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列經(jīng)十六位數(shù)據(jù)線讀入?yún)?shù)。完成讀數(shù)后，把遠(yuǎn)程服務(wù)信號(hào)置高，這樣就完成了一次采樣與讀數(shù)。

4 依附于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能的信號(hào)采集電路測(cè)試效果

測(cè)試效果見圖2。

圖2x軸即單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)得參數(shù)，y軸即五位半萬用表測(cè)得參數(shù)，同時(shí)以此作為指標(biāo)參數(shù)。我們可以發(fā)現(xiàn)，此擬合曲線基本分成兩段，兩段線性度優(yōu)異，方程在圖中有所表述。把測(cè)得參數(shù)代入直線方程，能夠?qū)?shù)予以修正，進(jìn)而降低顯示誤差。對(duì)此曲線予以更全面的分段線性化處理，能夠從根本深化測(cè)量的精確性。

5 總結(jié)

綜上所述，信號(hào)采集過程中，信號(hào)的幅值改變區(qū)間較大，所以要依附于相應(yīng)的比例予以衰減，完成衰減的信號(hào)要通過濾波后傳輸至單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在此基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列控制單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)采集。再通過現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列檢測(cè)到此信號(hào)，控制繼電器通斷，因此達(dá)到量程自動(dòng)切換的目的。此次研究信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)包括下述幾方面，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的量程辨識(shí)電路與現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列控制程序關(guān)、擇取有效的電壓衰減電路、選用配套的單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器、依附于信號(hào)的改變區(qū)間擇取相適應(yīng)的切換開。通過實(shí)際測(cè)試，沒有發(fā)現(xiàn)量程開關(guān)誤動(dòng)作的問題。采集電路數(shù)字控制通過量程選擇開關(guān)控制、量程信號(hào)辨識(shí)以及單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)控制所構(gòu)成。量程指示信號(hào)通過兩路對(duì)比器輸出。兩瓦電壓即為現(xiàn)階段量程極值，0.2瓦電壓即為現(xiàn)階段量程下限?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列經(jīng)檢測(cè)此編碼予以量程檔位辨識(shí)。對(duì)無人監(jiān)守的環(huán)境，擇取此類采集電路能夠自動(dòng)對(duì)信號(hào)予以辨別，從根本確保了信號(hào)測(cè)試的同步性及精準(zhǔn)度，而且也大幅度的節(jié)省了成本，深化測(cè)試人員的工作有效性。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列經(jīng)通信接口電路能夠和主控設(shè)備予以參數(shù)傳輸，因此加強(qiáng)波形顯示及參數(shù)存儲(chǔ)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]夏驚雷，范建華，王庭昌.高階FIR數(shù)字濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A].2015通信理論與技術(shù)新進(jìn)展——第十屆全國青年通信學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2015.

[2]夏振華.基于FPGA和89C51的等精度頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)[A].教育部中南地區(qū)高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課教學(xué)研究會(huì)第二十屆學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議論文集（下冊(cè)）[C].2014.

[3]鄭振耀，談軍，李潔，江德智，陳海波，陳忠，葉朝輝. 基于FPGA和以太網(wǎng)的超導(dǎo)磁體高精度室溫勻場(chǎng)電源[A].第十六屆全國波譜學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C].2013.

[4]馮濤，張桂青，王建華，張杭，耿英三.基于FPGA的智能化電器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A].第五屆全國智能化電器及應(yīng)用研討會(huì)會(huì)議論文集[C].2014.

作者單位

凱邁（洛陽）測(cè)控有限公司 河南省洛陽市 471009