基于FPGA的大比例系數(shù)高精度I/F電路設(shè)計

程遠超，黃　偉，趙新強，呂成方，楊　洋

(1.北京航天時代慣性儀表科技有限公司，北京 100039；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

0　引言

電流頻率轉(zhuǎn)換電路(I/F轉(zhuǎn)換電路)是一種將輸入的模擬電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量頻率信號的電路[1]，即一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器的形式是多種多樣的[2-3]，如V/F轉(zhuǎn)換電路[4]、基于DSP+FPGA的高分辨I/F電路[5-6]、AD652芯片等。對于目前經(jīng)典I/F轉(zhuǎn)換電路來說，其精度一般能達到3×10-5量級，溫度系數(shù)在1×10-5左右，能滿足大多數(shù)任務(wù)需求。但根據(jù)實時應(yīng)用背景高精度大比例系數(shù)的要求下分析，能滿足該比例系數(shù)要求的三元變寬電路[7]其工作頻率需要至少540kHz，而三元等寬電路則需要1080kHz。隨著工作頻率的提高，分立器件的開關(guān)特性會變差，進而導(dǎo)致線性度變差，難以滿足指標要求。在量程一定時，線性度與比例系數(shù)是矛盾的，二者不能同時兼顧，所以迫切需要一種比例系數(shù)和非線性誤差精度指標滿足其他性能指標優(yōu)良的電流頻率轉(zhuǎn)換電路來滿足任務(wù)要求。基于A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換電路具有較高的采集速度，但受限于其體積和成本原因，實際非線性精度比較低且難以滿足要求，而將二者優(yōu)勢綜合起來則可克服上述問題，進而設(shè)計高精度IF轉(zhuǎn)換電路，本文介紹的電流頻率轉(zhuǎn)換電路即是基于FPGA+A/D+經(jīng)典IF電路設(shè)計的。

本文對比其他方案只選用FPGA，而未使用DSP或單片機[8-9]等，優(yōu)點是器件結(jié)構(gòu)更簡單，減少了數(shù)據(jù)傳遞過程，運算和處理速度大大增強。通過對經(jīng)典電路進行一系列優(yōu)化，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器對I/F電路中的積分電壓采樣，將采集到的電壓值進行擴展運算，使電路比例系數(shù)達到90000個/(s·mA)。通過對轉(zhuǎn)換電路進行測試，其非線性精度達到2×10-5，溫度系數(shù)優(yōu)于5×10-6，滿足任務(wù)要求。本文重點介紹基于FPGA的高精度I/F轉(zhuǎn)換電路的幾個關(guān)鍵技術(shù)。

1　原理介紹

在經(jīng)典I/F電路中，只有積分電壓Uj超過門檻電壓Uth時，電路才會輸出脈沖。高精度I/F電路是在不改變頻標的前提下，在積分階段對Uj進行采樣，根據(jù)采樣點電壓并依據(jù)對應(yīng)算法計算出均勻輸出的脈沖，實現(xiàn)比例系數(shù)的提高，高精度I/F電路設(shè)計原理如圖1所示。

根據(jù)I/F電路原理，在積分階段中，積分電壓為：

Uj=U+I×t

(1)

其中，U為初始電壓，I為輸入電流，t為積分時間。從式(1)可看出，當輸入電流I為一定值時，Uj和t為線性關(guān)系。故可將Upp(積分電壓峰峰值)均勻分成K份，每份輸出1個脈沖，即積分電壓Uj每變化Upp/K輸出1個脈沖，避免了達到門檻電壓才輸出脈沖的現(xiàn)象，提高了對小電流的分辨能力。

Upp可在反饋階段中計算得出，計算公式為：

(2)

其中，If為恒流源，f為頻標。從式(2)可看出，Upp與輸入電流I有關(guān)，當輸入電流無窮小時，Upp有最大值。

經(jīng)典I/F電路和高精度I/F電路的結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。高精度I/F電路是在傳統(tǒng)I/F電路的基礎(chǔ)上增加了A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理器，利用積分時間對積分電壓Uj進行采集，并根據(jù)相應(yīng)的算法均勻輸出脈沖，來實現(xiàn)比例系數(shù)的提高。

由于噪聲的影響，Uj的波形并不規(guī)則，將影響采集結(jié)果，使每個積分階段的脈沖輸出個數(shù)不相同。因此，在反饋階段內(nèi)需對脈沖個數(shù)進行校準，確保每個周期脈沖輸出個數(shù)是原始脈沖的K倍。

FPGA作為數(shù)據(jù)處理器承擔所有的控制、數(shù)據(jù)處理及擴展計算，此外觸發(fā)器的功能也可在FPGA中實現(xiàn)以簡化硬件電路，同時還具有計數(shù)功能，可將原始脈沖數(shù)和擴展脈沖數(shù)以串口的形式發(fā)送給計算機，以便于標定和導(dǎo)航計算。

2　硬件電路設(shè)計

2.1　恒流源設(shè)計

恒流源電路的主要功能是提供基準電流，由于I/F轉(zhuǎn)換電路是根據(jù)電量平衡原理進行精確量化，恒流源的變化對轉(zhuǎn)換電路的性能影響最大，是電路設(shè)計中最重要的部分之一。對基準電流影響關(guān)鍵的器件是穩(wěn)壓基準源和精密電阻，穩(wěn)壓基準選用LM199AH，其參數(shù)如下：電壓值為6.8V～7.1V，溫度系數(shù)為3×10-7～1×10-5，長時間穩(wěn)定性典型值是2×10-5/1000h。選用RMK5025型精密電阻，其阻值允許偏差在±0.1%，電阻溫度特性在±2×10-6。保證恒流源性能穩(wěn)定，可以大大提高轉(zhuǎn)換電路的溫度特性，恒流源輸出穩(wěn)定性及溫度特性的提高也有利于I/F電路精度的提高。

2.2　A/D模塊

AD976是一個16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，+5V供電，同時外接2.5V基準電源，兩者均配備濾波電容，減少電源對采集電壓值的影響，最大100mW功耗，采樣率為200kHz，電壓輸入范圍為-10V～10V。圖4中，3R50用來為補償內(nèi)部失調(diào)和增益的調(diào)整，輸出方式為高速并行接口方式輸出。

2.3　FPGA及供電模塊

FPGA主要完成轉(zhuǎn)換電路所需的各接口時序邏輯電路、JK觸發(fā)器邏輯電路、分頻、計數(shù)等功能，簡化了硬件電路，同時還具有計數(shù)功能可將原始脈沖數(shù)和擴展脈沖數(shù)以串口的形式發(fā)送給計算機，方便對該轉(zhuǎn)換電路的標定。RS422通信所需的波特率由頻率為18.432MHz的晶振輸入至FPGA分頻獲得。

如圖5所示，F(xiàn)PGA芯片采用雙電源供電方式，即內(nèi)核2.5V和I/O口3.3V分別供電，電源控制芯片為TPS70358。其中，TPS70358的5V電壓由外接二次電源提供。為減小供電電源的噪聲和干擾對FPGA的影響，在TPS70358的3.3V和2.5V輸出引腳附近分別接22μF和47μF的鉭電容進行濾波，同時每個電源輸入引腳就近串接0.1μF電容濾波。

3　FPGA設(shè)計

FPGA模塊設(shè)計如圖6所示。

分頻1模塊輸出頻標，分頻2模塊提供采樣時鐘，分頻3模塊提供計數(shù)輸出時鐘；JK觸發(fā)器模塊是根據(jù)比較器的輸入信號，用硬件語言實現(xiàn)JK觸發(fā)器的功能；邏輯判斷模塊的功能是根據(jù)JK觸發(fā)器的輸出信號進行正向積分、正向反饋、負向積分及負向反饋4個狀態(tài)的判別；擴展計算模塊是根據(jù)電路的狀態(tài)進行相應(yīng)的計算輸出擴展脈沖；計數(shù)模塊是對原始脈沖和擴展脈沖進行計數(shù)，在計數(shù)輸出時鐘的作用下將數(shù)據(jù)傳給串口通信模塊；串口通信模塊將原始脈沖和擴展脈沖的個數(shù)以數(shù)字的形式通過串口發(fā)送給計算機；該模塊同時實現(xiàn)對A/D的控制、數(shù)據(jù)采集、運算及擴展脈沖輸出。

主要程序流程如圖7所示，實際輸出脈沖數(shù)為理論計算脈沖數(shù)減去前一個周期中多放出的脈沖數(shù)。

4　試驗結(jié)果

4.1　原始和擴展比例系數(shù)對比

該I/F轉(zhuǎn)換電路的擴展比例系數(shù)設(shè)計值為原始比例系數(shù)值的40倍，但擴展比例系數(shù)是通過高速A/D采集積分電壓變化計算出的，并通過原始比例系數(shù)進行校正，所以擴展比例系數(shù)和原始比例系數(shù)的比值趨近40，1mA和6mA的比例系數(shù)對比如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知：擴展比例系數(shù)與原始比例系數(shù)的比值約為40，表明測試結(jié)果與理論設(shè)計一致，達到了預(yù)期擴大比例系數(shù)的目的，同時實現(xiàn)了電路分辨率的提高。其中，波形圖如圖8所示，與設(shè)計預(yù)期一致。

表1　X通道電路原始比例系數(shù)和擴展比例系數(shù)對比

4.2　線性度及重復(fù)性

將電路板置于55℃恒溫箱中，對電路進行通電并保溫30min，電壓測量采用安捷倫3458A，輸入電流用5700A，測得該電路板的線性度如表2所示。

表2　3個通道線性度

經(jīng)過試驗測試驗證，該I/F轉(zhuǎn)換電路的3個通道的線性度均能達到2×10-5以內(nèi)，滿足任務(wù)使用需求。同時，對電路板進行重復(fù)性測試，表明電路板重復(fù)性良好，重復(fù)性測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3　3個通道線性度

4.3　比例溫度系數(shù)測試

通過對I/F電路進行溫度設(shè)定，選擇25℃、35℃、45℃、55℃、65℃五個溫度點進行測試。

保證所有測試條件一致，僅改變電路單板測試時的溫度，對電路輸入±1.25mA的電流，以25℃時的比例系數(shù)為基準，其余各溫度點比例系數(shù)的溫度系數(shù)結(jié)果如表4所示。

表4　比例系數(shù)溫度特性

結(jié)果表明以25℃為基準，電路在所選4個溫度點的溫度系數(shù)均優(yōu)于5×10-6，屬較高精度。

4.4　穩(wěn)定性和分辨率

4h穩(wěn)定性測試條件為：在55℃溫箱中，溫度穩(wěn)定后通電，分別提供給電路板0mA和±1.25mA電流，測量電路的穩(wěn)定性，分別如圖9～圖11所示。

由圖9～圖11可知，每10s零位極值最大變化量為2個，零位均值為0.109個，零位穩(wěn)定性優(yōu)于2×10-7。在±1.25mA電流輸入時，比例系數(shù)擴大40倍后，其極值變化噪聲相比原始比例系數(shù)噪聲擴大了7倍，所以其有效分辨率提高了約5.7倍；同時擴展比例系數(shù)1σ穩(wěn)定性為1.71×10-6，而原始比例系數(shù)為1.05×10-5，實現(xiàn)了比例系數(shù)分辨率和穩(wěn)定性提高的預(yù)期。

5　結(jié)論

本高精度I/F電路方案在任務(wù)需求牽引下，通過對經(jīng)典I/F 轉(zhuǎn)換電路改進設(shè)計，在滿足線性度和穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路比例系數(shù)的提高，更加精確實時地傳遞出加速度計的真實輸出，同時，較同類其他大比例系數(shù)I/F轉(zhuǎn)換電路節(jié)省了器件，進一步降低了成本。綜上所述，該方案滿足任務(wù)需求，同時可適用于其他更廣泛的應(yīng)用當中。

[1]宋雪杰, 王曉東, 韓軍海. 電流/頻率轉(zhuǎn)換類型綜述[J].導(dǎo)航與控制, 2009, 8(1):31-38.

SONG Xue-jie, WANG Xiao-dong, HAN Jun-hai. The analysis of the type of the current/frequency converter [J]. Navigation and Control, 2009, 8(1):31-38.

[2]吳南濤, 邢京慧, 王建國.Σ-Δ型模/數(shù)轉(zhuǎn)換方式地研究[J].導(dǎo)航與控制, 2011, 10(1):41-44.

WU Nan-tao, XING Jing-hui, WANG Jian-guo. Study on theΣ-Δ ADC.[J]. Navigation and Control, 2011, 10(1): 41-44.

[3]張?zhí)旃?捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)(第2版)[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

ZHANG Tian-guang. Strpdown inertial navigation techno-logy (2th) [M].Beijing: National Defense Industry Press, 2007.

[4]孟俊芳, 魯浩, 張彥.彈載開環(huán)光纖陀螺V/F變換器設(shè)計[J].電光與控制, 2009,16(5):90-92+96

MENG Jun-fang, LU Hao, ZHANG Yan. Design of a V/F converter used in missile-board O-FOG [J]. Electronics Optics & Control, 2009, 16(5):90-92+ 96.

[5]牛清紅, 張春熹, 宋凝芳. 用A/D 和FPGA實現(xiàn)的加速度計數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報, 2006,14(1):63-66.

NIU Qing-hong, ZHANG Chun-xi, SONG Ning-fang. Output system of high precise & wide measuring range accelerometer [J].Journal of Chinese Inertial Technology, 2006, 14(1):63-66.

[6]王曉東, 黃偉, 車鵬宇, 等. 高分辨率電流頻率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計[J].導(dǎo)航與控制，2014,13(5)：28-31.

WANG Xiao-dong, HUANG Wei, CHE Peng-yu, et al. The high resolution design of the current/frequency converter [J]. Navigation and Control, 2014, 13(5):28-31.

[7]陸元九. 慣性器件(下) [M]. 北京: 中國宇航出版社, 2009.

LU Yuan-jiu. Inertial device(2rd) [M].Beijing: China Aerospace Press, 2009.

[8]張亞薇, 張志文.一種高精度I/F變換器的研究[J].生命科學(xué)儀器,2009, 7(12):52-54.

ZHANG Ya-wei, ZHANG Zhi-wen. A kind of high-precision I/F converter [J].Life Science Instruments, 2009, 7(12):52-54.

[9]胡少青.高精度加速度計的數(shù)字讀出電路設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京航空航天大學(xué), 2001.

HU Shao-qing. The design and realization of high preci-sion accelerometer data acquisition circuit [D]. Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2001.