多通道信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

蘭建功，趙艷利

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

實(shí)際測(cè)試中，被測(cè)信號(hào)的變化多種多樣，有的變化慢，有的變化快，而且需要多通道同時(shí)進(jìn)行采集，若是在每個(gè)通道都設(shè)置一套模擬傳輸和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，既不經(jīng)濟(jì)也不必要，特別是在有限的體積內(nèi)有時(shí)甚至是不可能的，因此用最簡(jiǎn)單的硬件電路完成多路信號(hào)的采集是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)。本文針對(duì)多通道切換電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并針對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)以FPGA為核心控制器來組織工作，它控制著整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道切換，以及控制AD轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的控制。［1］系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.1 電壓跟隨電路

如圖1 所示，在實(shí)際設(shè)計(jì)中將輸入的模擬信號(hào)首先經(jīng)過電壓跟隨器OPA4340然后再送給模擬開關(guān)。此電壓跟隨器具有將后級(jí)模擬開關(guān)切換干擾切斷，防止其反彈到信號(hào)源的作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)信號(hào)源端Ui0點(diǎn)輸入直流電壓2.6V，測(cè)得Ui0和U00點(diǎn)的波形對(duì)比如圖2 所示。從圖2 中可以看出，信號(hào)源端Ui0點(diǎn)波形光滑，而模擬開關(guān)輸入端U00點(diǎn)的波形干擾明顯，從而驗(yàn)證了運(yùn)放的隔離作用。

圖2 經(jīng)運(yùn)放隔離前、后波形

1.2 多通道切換電路

實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，為了降低成本和減小體積，通常使用公共的采樣／保持器、放大器及AD轉(zhuǎn)換器，所以需要使用模擬開關(guān)輪流把各路被測(cè)信號(hào)分時(shí)地與這些公用器件接通，即通過對(duì)FPGA編寫時(shí)序，控制模擬開關(guān)切換通道，把各信號(hào)按固定的幀格式順序排列起來，然后再順序進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。模擬多路電子開關(guān)（Multiplexers，簡(jiǎn)稱模擬開關(guān)）是數(shù)據(jù)采集電路的關(guān)鍵部件，用于多路模擬信號(hào)的通道選擇電路或電路參數(shù)的選擇電路。

模擬開關(guān)的功能類似于繼電器，用于電路的切換，起到接通信號(hào)或斷開信號(hào)的作用。其具有導(dǎo)通速度快、無機(jī)械觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、體積小、功耗小、開關(guān)次數(shù)多、開關(guān)過程無抖動(dòng)、耐環(huán)境沖擊振動(dòng)、控制接口與數(shù)字邏輯電平兼容等優(yōu)點(diǎn)。

綜合考慮開關(guān)切換速度、供電以及通道數(shù)等參數(shù)，本設(shè)計(jì)中選用了AD公司的ADG706作為模擬開關(guān)。該模擬開關(guān)的性能參數(shù)如下：①可以單電源供電，供電范圍為1.8V～5.5V；②開關(guān)切換時(shí)間40ns；③3dB帶寬為25MHz；④通道數(shù)為16；⑤模擬信號(hào)范圍為0V～Udd（Udd為供電電壓）。

多路采集的典型電路如圖3 所示，電路由輸入接口、信號(hào)調(diào)理電路、輸入電壓跟隨器［2］、模擬開關(guān)、輸出電壓跟隨器、ADC、數(shù)據(jù)寄存器、FPGA等核心器件組成。

由于本設(shè)計(jì)中需要采集的模擬信號(hào)為74路，因此在設(shè)計(jì)之初采用圖3 所示的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，即需要5片模擬開關(guān)并聯(lián)。但是通過實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)采集波形震蕩明顯，如圖4 所示。分析原因是因?yàn)槟M開關(guān)ADC706輸出端對(duì)地的寄生電容為200pF，而5個(gè)模擬開關(guān)并聯(lián)將達(dá)到1 000pF，這樣大的電容引起輸出端信號(hào)震蕩。

圖3 傳統(tǒng)的多路模擬信號(hào)采集電路簡(jiǎn)圖

圖4 模擬開關(guān)輸出的引起震蕩的波形

針對(duì)以上問題，本設(shè)計(jì)采用了改進(jìn)的方案，如圖5 所示，將模擬開關(guān)分為兩級(jí)，第二級(jí)為一個(gè)模擬開關(guān)，因此輸出端電容小。讓速變信號(hào)直接輸入第二級(jí)模擬開關(guān)，緩變信號(hào)先輸入到4個(gè)并聯(lián)的第一級(jí)模擬開關(guān)，然后再輸入到第二級(jí)模擬開關(guān)。采用這樣的方案設(shè)計(jì)的電路，其采集波形光滑，如圖6 所示。

圖5 改進(jìn)的多路模擬信號(hào)采集電路簡(jiǎn)圖

圖6 模擬開關(guān)輸出的光滑的波形

2 FLASH MEMORY擦除和寫入控制邏輯的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中沒有單獨(dú)的擦除操作，而是當(dāng)存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)時(shí)，先讓其執(zhí)行擦除操作擦除上一塊的數(shù)據(jù)，然后再執(zhí)行寫操作，當(dāng)一塊被寫完時(shí)再跳到下一塊進(jìn)行擦除操作，擦完以后再將其寫滿，依次類推。這樣的擦寫方式保證了下一輪存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確，若上一輪數(shù)據(jù)未擦除，新一輪數(shù)據(jù)再寫入，將會(huì)導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。在整個(gè)擦除、寫入過程中要注意無效塊的檢測(cè)，否則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。擦、寫控制邏輯流程圖如圖7 所示，當(dāng)采集存儲(chǔ)條件滿足時(shí)，先將地址復(fù)位后寫擦除命令字60H，然后寫塊地址，再寫命令字D0H，等待rb信號(hào)變?yōu)楦邥r(shí)，寫入寫命令字80H，再寫入頁地址，再寫10H，待一頁寫完以后跳到下一頁寫，直到一塊被寫完，再去執(zhí)行擦除操作，依次循環(huán)執(zhí)行。存儲(chǔ)器的寫數(shù)據(jù)時(shí)鐘波形如圖8 所示。

圖7 擦、寫控制邏輯流程圖

3 小結(jié)

本文介紹了一種基于FPGA的多路數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法［3］，主要針對(duì)多通道模擬信號(hào)采集展開研究，硬件方面主要介紹了電壓跟隨電路、模擬開關(guān)多通道切換電路的設(shè)計(jì)，軟件方面介紹了基于FPGA控制的Flash Memory的擦寫邏輯。采用以上方法設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)容量大、體積小。該系統(tǒng)已投入使用，性能優(yōu)，值得推廣。

圖8 寫存儲(chǔ)器時(shí)鐘波形

［1］周治良，劉俊，張斌珍.基于FPGA及Flash的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.數(shù)采與監(jiān)測(cè)，2003（1）：91-92.

［2］賽爾基歐·佛朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)［M］.第3版.劉樹棠，朱茂林，榮玫，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

［3］朱明程.xilinx數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集成技術(shù)［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2001.