基于遙測采編系統(tǒng)多通道高精度信號源卡的設(shè)計

任勇峰, 郭佳欣， 單彥虎

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051)

基于遙測采編系統(tǒng)多通道高精度信號源卡的設(shè)計

任勇峰, 郭佳欣， 單彥虎

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051)

針對目前信號源輸出通道少且方波邊沿時間較長的問題，設(shè)計了一種多通道高精度信號源卡。系統(tǒng)采用PXI總線實現(xiàn)上位機與信號源卡之間的通信，利用FPGA控制波形數(shù)據(jù)讀取、D/A轉(zhuǎn)換及通道切換，最終實現(xiàn)了32路波形、幅值、頻率和相位實時可控的高精度信號輸出。測試結(jié)果表明，輸出信號幅值精度可達0.1%，方波信號邊沿時間小于1 μs，滿足遙測采編器對高精度信號激勵的要求。

多通道； 高精度； 信號源； PXI總線

0 引 言

遙測采編器主要實現(xiàn)飛行器三維姿態(tài)參數(shù)和時序的采集、編碼和測量，是現(xiàn)代航天飛行系統(tǒng)的重要組成部分[1]。遙測采編器在總裝前的自檢測試中，需要高精度信號源同時提供多路不同種類的標(biāo)準(zhǔn)信號來衡量系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。目前，國內(nèi)產(chǎn)品還處于技術(shù)跟蹤階段。Keysight公司的33600A系列Trueform信號源性能優(yōu)越，輸出信號頻率可達120 MHz，但其輸出信號通道數(shù)少、功耗大、體積大且價格昂貴，不滿足遙測采編器對于信號源多通道、低功耗、低成本的要求。高精度信號源可以通過DDS(直接數(shù)字頻率合成)實現(xiàn)，但DDS中波形存儲器無論采用完整波形存儲還是1/4波形存儲，當(dāng)對信號源路數(shù)需求較多時，數(shù)量龐大的波形存儲數(shù)據(jù)會占用相當(dāng)多的FPGA資源，對FPGA造成很大的負擔(dān)甚至使其無法正常工作[2]。

針對上述問題，本文設(shè)計了基于FPGA和PXI的多通道高精度信號源卡。系統(tǒng)在簡化設(shè)計的同時，實現(xiàn)了同時輸出32路實時程控波形、幅值、頻率和相移的高精度信號，插卡式設(shè)計使其具有低功耗、易擴展、高集成度等優(yōu)點，滿足了遙測采編器在自檢測試時對高精度信號源的要求。

1 信號源卡總體設(shè)計方案

1.1 多通道高精度信號源卡結(jié)構(gòu)設(shè)計

多通道高精度信號源卡主要由PXI通信模塊、波形重構(gòu)及調(diào)理模塊、多通道信號輸出模塊和輸出信號回采反饋模塊四部分組成。要求實現(xiàn)32路頻率0～500 Hz連續(xù)可調(diào)，幅值范圍-1～7 V的鋸齒波、三角波、正弦波、方波輸出(見圖1)。

1.2 多通道高精度信號源卡工作原理

PXI是一種由NI公司發(fā)布的基于PC的測量和自動化平臺[3]。PXI擁有高達132～528 MB/s的傳輸性能，并具有高密度、堅固外殼及高性能連接器的特性。

多通道高精度信號源卡采用XILINX公司的FPGA芯片XC3S400作為主控制器，上位機通過PXI通信模塊將波形數(shù)據(jù)下發(fā)至FPGA，經(jīng)FPGA緩存后發(fā)送至外部SRAM(隨機靜態(tài)存儲器)存儲。當(dāng)上位機啟動指令到達后，F(xiàn)PGA從SRAM中讀取波形數(shù)據(jù)發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換器進行波形重構(gòu)及調(diào)理，最終通過多通道信號輸出模塊輸出多路高精度程控信號。輸出信號回采反饋模塊，采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器同步采集輸出信號并反饋至上位機進行閉環(huán)修正，保證了系統(tǒng)的高精度[4]。

圖1 高精度信號源卡結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊圖

2 信號源卡硬件電路設(shè)計

2.1 PXI通信模塊

PXI通信模塊采用功能強大的專用PCI橋接芯片PCI9054實現(xiàn)上位機與信號源卡之間的通信。PCI9054具有簡單易控的特點，通過設(shè)計本地總線接口控制電路即可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸[5]。

PXI通信模塊設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)加電復(fù)位后，PCI9054從93LC56B(EEPROM)讀取數(shù)據(jù)配置內(nèi)部寄存器，通過拉低MODE(1∶0)管腳配置本地端為C模式，采用從方式下發(fā)本地總線控制指令，通過DMA方式實現(xiàn)本地總線與上位機內(nèi)存間的高速互訪。系統(tǒng)時鐘選用33 MHz，數(shù)據(jù)位寬為32位，理論數(shù)據(jù)吞吐率可達132 MB/s。

圖2 信號源卡PXI接口電路

2.2 波形重構(gòu)及調(diào)理模塊

波形重構(gòu)及調(diào)理模塊的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的AD768。它采用了先進的Bipolar CMOS技術(shù)，標(biāo)稱滿量程輸出20 mA電流，特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)越的動態(tài)精確度[6]。

波形重構(gòu)及調(diào)理電路設(shè)計如圖3所示。通過向I/U放大器AD811的求和節(jié)點提供補償電流IBIPOLAR實現(xiàn)AD768的雙極性模式。IBIPOLAR由AD768內(nèi)部2.5 V的基準(zhǔn)電壓通過R81產(chǎn)生，當(dāng)AD768數(shù)字輸入端設(shè)置半刻度時，IDAC=2.5 mA，與IBIPOLAR輸出抵消，此時輸出為0 V。由虛短虛斷原理可知，R82和R85組成電阻分流網(wǎng)絡(luò)使IDAC滿量程電流為5 mA，此時R285壓降為2.5 V。同理，當(dāng)數(shù)字端輸入從零到滿刻度變化時，U1為-2.5～+2.5 V。理論分析如下：

(1)

圖3 波形重構(gòu)及調(diào)理電路

(2)

(3)

經(jīng)過圖3中兩級運放的調(diào)理，理論上Uout范圍為-1.25～7.25 V，經(jīng)上位機標(biāo)定后，將其范圍限制在-1～7 V。

2.3 多通道信號輸出模塊

波形存儲器SRAM中的64路有序混合波形數(shù)據(jù)經(jīng)過波形重構(gòu)及調(diào)理電路模塊處理后，需經(jīng)多通道信號輸出模塊輸出各信號(見圖4)。采用4片多路電子開關(guān)ADG1206分別將模擬信號切換到對應(yīng)通道，再經(jīng)采樣保持電路保證信號輸出連續(xù)。

圖4 多通道信號輸出框圖

方波邊沿越陡，就越能準(zhǔn)確地測試設(shè)備的動態(tài)性能，但同時也含有更多的高頻成分[7]。若經(jīng)過采樣保持電路輸出，方波的邊沿時間必定延長，故設(shè)計采用單刀雙擲開關(guān)ADG333A切換來實現(xiàn)方波輸方波輸出時，僅保持ADG333A的A通道導(dǎo)通；當(dāng)方波輸出時，F(xiàn)PGA通過控制ADG333A的IN管腳的電平及改變時間，使A、B通道按要求輸出方波的上限值和下限值。信號輸出前還設(shè)計了AD8022構(gòu)成的一階低通濾波器來抑制雜波和平滑波形。ADG333A導(dǎo)通和關(guān)斷時間均小于200 ns，AD8022的SR(壓擺率)為50 V/μs，均可以滿足方波1 μs內(nèi)快速變換的要求。

2.4 回采反饋模塊

回采反饋模塊保證了系統(tǒng)的高精度。將多路電子開關(guān)ADG1206多對一逆用，通過16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7667回采輸出信號，最終通過PXI總線將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行比對修正?；夭煞答伳K設(shè)計如圖5所示。Uin為-1～7 V，U10B提供偏置電壓，然后通過同相加法器，得:

(4)

(5)

經(jīng)理論分析可得，Uin被調(diào)理至0.15～2.5 V后進行AD轉(zhuǎn)換。

3 信號源卡軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括用VHDL語言編寫的FPGA嵌入式程序和用C#語言編寫的上位機程序，主要實現(xiàn)FPGA對波形數(shù)據(jù)讀取、DA轉(zhuǎn)換、模擬開關(guān)切換的實時控制。

3.1 波形數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

將頻率、幅值、相位及占空比等參數(shù)輸入用戶界面，上位機采用NI動態(tài)鏈接庫的基本波形函數(shù)將其量化，然后通過DMA方式下發(fā)給FPGA存入SRAM，上位機界面如圖6所示。

傳統(tǒng)的連續(xù)存儲方式將完整的波形數(shù)據(jù)按地址存儲，輸出間隔會隨采樣點的增多而延長。多通道高精度信號源卡波形存儲方式設(shè)計如圖7所示。將各路信號波形數(shù)據(jù)存儲在SRAM的前128 KB中，相位、頻率和占空比控制字存儲在其后的96個存儲單元中。當(dāng)?shù)趇路輸出波形非方波時，通道2i-1存放采樣點波形數(shù)據(jù)，通道2i存放0000H且對應(yīng)的波形控制字全為0；當(dāng)?shù)趇路輸出波形為方波時，通道2i-1存放其上限值，通道2i存放其下限值。方波標(biāo)識符‘11’存入D15～D14位，方波狀態(tài)控制數(shù)據(jù)存入D13～D0位。

3.2 多通道高精度信號輸出時序設(shè)計

多通道高精度信號源卡的軟件流程圖如圖8所示。在上位機下發(fā)啟動指令后，F(xiàn)PGA以1 000個時鐘為周期進行一路數(shù)據(jù)的讀取和輸出。FPGA先從SRAM初始地址依次讀出各路波形控制字并進行判別，根據(jù)波形控制字來啟動DA轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號穩(wěn)定后，切換開關(guān)地址。同理，在地址切換穩(wěn)定后將該路ADG1206使能。若判斷波形標(biāo)識符為“11”，則還要通過相位計數(shù)器與方波控制字比較的結(jié)果來改變ADG333A的IN引腳電平，實現(xiàn)方波頻率、相位、占空比的控制。信號源卡的64個通道依次按周期循環(huán)導(dǎo)通，這種“轉(zhuǎn)換-切換通道-使能”的控制方法避免了多通道間的串?dāng)_現(xiàn)象[8]。

圖5 回采反饋電路

圖6 上位機界面

圖7 波形存儲格式

4 信號源卡測試結(jié)果

將多通道高精度信號源卡插入標(biāo)準(zhǔn)3U的PXI機箱，從64路中隨機選取3路，輸入6個電壓值，利用高精度萬用表測試其輸出直流電平，輸出電壓實測值及精度記錄如表1所示。可以看出，輸出精度均高于0.1%。

圖8 信號輸出時序流程圖

在上位機波形設(shè)置界面設(shè)置頻率均為10 Hz，相位相差45°的鋸齒波、三角波以及相位相差180°正弦波和占空比1∶4的方波，輸出結(jié)果如圖9所示。方波邊沿時間的測試結(jié)果如圖10所示。從圖10可看出方波邊沿時間均小于1 μs。上述測試結(jié)果表明，多通道高精度信號源卡可以產(chǎn)生多路波形、相位、頻率實時可控的高精度信號。

表1 輸出電壓實測值及精度

圖10 方波邊沿時間測試結(jié)果

5 結(jié) 語

結(jié)合FPGA邏輯功能強和PXI總線傳輸速度快的優(yōu)點，設(shè)計了一種電路簡潔、通用性強的多通道高精度信號源卡，并對其產(chǎn)生的信號的完整性進行了測試。試驗結(jié)果表明，多通道高精度信號源卡具有波形參數(shù)實時可控，精度高，輸出信號通道多且輸出信號平滑穩(wěn)定的特點。多通道高精度信號源卡已在多個遙測采編系統(tǒng)的自檢測試中作為激勵源來模擬動態(tài)測試環(huán)境中的各種被測信號，并與其他模塊組成了自動測試系統(tǒng)，具有很高的工程應(yīng)用價值。

[1] 史 赟.飛行參數(shù)測量裝置的研究及實現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué),2012.

[2] 高 琴,姜壽山,魏忠義.基于FPGA的DDS信號源設(shè)計與實現(xiàn)[J].西安工程科技學(xué)院學(xué)報,2006,20(2):210-214.

[3] 張洪彬.基于PXI的通用型雷達測控系統(tǒng)的設(shè)計[D].杭州：電子科技大學(xué),2013.

[4] 鮑麗星,陳曉爭.一種高精度信號源的設(shè)計[J].計算機測量與控制,2008,16(4):588-590.

[5] 楊 川,崔少輝,劉 杰,等.基于PCI9656的PXI總線接口設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2009(10):53-56.

[6] 劉建梁,沈三民,關(guān)詠梅,等.基于FPGA和AD768的精密程控直流信號源設(shè)計[J].計算機測量與控制,2015(3):1055-1057.

[7] 林若波. 基于PIC16F877A的方波信號發(fā)生器電路設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2006(12):24-26.

[8] 許連虎,袁怡寶.一種消除交流激勵多通道傳感器信號線間串?dāng)_的有效方法[J].測控技術(shù),2014(4):145-148.

The Design of Multi-channel High-Precision Signal Source Card Based on Telemetry Acquisition & Coding

RENYongfeng,GUOJiaxin,SHANYanhu

(National key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Before its work, the telemetry signal sampling encoder needs to input the ideal waveform to verify the accuracy and stability of the system in the self test. For the problems that the signal source is less output channels and exists a long time edge of square wave, we design a multi-channel high-precision signal source card. The system adopts PXI bus to realize communication between the PC and the signal source card, FPGA is used to control reading of waveform data, DA conversion and channel switching. Ultimately, it can output 32-channel waveform whose frequency and phase are controlled by the signal source card with high precision. Test results show that output signal amplitude accuracy reaches 0.1%, square edge time is less than 1us, and the requirements of telemetry signal sampling encoder are all satisfied.

multi-channel system; high precision; signal source; PXI bus

2016-09-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51225504)

任勇峰(1968-)，男,山西中陽人,博士,教授,研究方向:測試計量與儀器,電路與系統(tǒng)。

Tel.:18636614286;E-mail:renyongfeng@nuc.edu.cn

TN 302

A

1006-7167(2017)06-0037-05