可編程增益多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

1 引言

　　在科研和工程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很廣泛的應(yīng)用，針對(duì)各類電壓型傳感器輸出的信號(hào)伏值不同這種情況，本文提出了一種能夠控制增益的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA 作為邏輯控制核心，選用儀表運(yùn)算放大器AD623 作放大電路，ADG704 作為模擬開關(guān)，通過對(duì)FPGA 進(jìn)行編程配置，控制模擬開關(guān)選通不同的電阻，選通電阻配合AD623 實(shí)現(xiàn)放大。同時(shí)該系統(tǒng)可以對(duì)多通道配置不同的增益，從而可以采集不同傳感器輸出的信號(hào)。實(shí)現(xiàn)了采集范圍寬的采集要求。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）作為主控單元，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。從整個(gè)流程來看，系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：運(yùn)算放大模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊、可編程邏輯器件控制模塊。

                                  圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

　　整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為：首先確定各通道輸入信號(hào)范圍，從而確定各通道的增益，對(duì)FPGA 進(jìn)行編程配置，使ADG704 選中增益配置電阻，經(jīng)AD623 放大后通過精密運(yùn)放OP113 跟隨輸出，通過多路選擇器切換將模擬信號(hào)輸出至AD轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)通過FPGA 存儲(chǔ)在FLASH。完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

　　3 典型電路設(shè)計(jì)

　　下圖2 為運(yùn)算放大模塊電路圖。

                                                     點(diǎn)擊看原圖

                                         圖2 儀表運(yùn)算放大電路圖

　　該模塊的核心為儀表運(yùn)放AD623，AD623 是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源(+3V～+12V)下提供滿電源幅度的輸出,其增益設(shè)置范圍為1~1000。AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(ACCMRR)而保持最小的誤差,線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達(dá)200Hz 時(shí)仍保持恒定而受到抑制。增益可通過1 腳和8 腳之間的電阻設(shè)置，其公式如下：

　　G 為放大倍數(shù)。X R 為調(diào)節(jié)電阻。

　　圖中輸入信號(hào)前加一階無源低通濾波器，濾除混疊在信號(hào)中的高頻成分，信號(hào)截至頻率可以通過f=1/2ΠRC 求得,同時(shí)在AD623 輸出端又加一級(jí)分壓濾波器,它與前一級(jí)濾波器構(gòu)成二階無源低通濾波器。對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)于AD623，如果信號(hào)不加共模信號(hào)直接放大,輸出信號(hào)最大將會(huì)被限制在1.25V。如圖輸入信號(hào)為0～20mv 正弦波，通過調(diào)節(jié)電阻使其增益設(shè)置為100，此時(shí)輸出應(yīng)為0～2V 的正弦波，但實(shí)際波形如下：

                                             信號(hào)輸入波形

                                               信號(hào)輸出波形

　　如果在輸入端加2.5V 共模電壓，電路圖連接如圖2，同樣在輸入端加0～20mv 正弦波，增益設(shè)置為100，輸出波形如下：

                                             信號(hào)輸出波形

　　為了提高驅(qū)動(dòng)能力，如圖2 中在AD623 輸出端加一級(jí)跟隨器OP113 作為驅(qū)動(dòng)，因?yàn)锳D623 設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)10K 歐或以上的負(fù)載，如果負(fù)載小于10KΩ時(shí)，需要用一個(gè)精密運(yùn)放作為緩沖提高驅(qū)動(dòng)能力，接OP113 作為跟隨驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)負(fù)載小到600Ω時(shí)，也可以在負(fù)載上得到0～4V 的輸出擺幅。

　　在圖2 中ADG704 作為模擬開關(guān)，主要用來切換S1～S4 中的某一通道與D 導(dǎo)通，該選中通道與AD623 配合實(shí)現(xiàn)增益控制。對(duì)于ADG704 的控制，用可編程邏輯器件編程實(shí)現(xiàn)。控制使能和選擇信號(hào)A1、A0、EN 通過真值表1 實(shí)現(xiàn)切換。           

表1 ADG704 真值表

　　4 結(jié)束語

　　本文提出的由可編程邏輯器件控制系統(tǒng)的放大倍數(shù)，充分利用了儀表運(yùn)算放大器AD623 的增益可調(diào)功能及其優(yōu)越性。每一路熱電偶輸入信號(hào)可以有多個(gè)不同的放大倍數(shù)，使得各種幅值不同的輸入信號(hào)采集的實(shí)現(xiàn)更加方便、可靠、快捷。選用的16 位AD 轉(zhuǎn)換器，以采集精度高、控制方便、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)，更大程度地優(yōu)化了該系統(tǒng)。