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(

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。