基于FPGA實現(xiàn)多路模擬信號自適應采集系統(tǒng)
目前，在PCM／FM遙測體系中模擬信號采集普遍采用8位量化，全部模擬信號均歸一化到O～5 V范圍內，隨著需要采集的模擬信號的類型多樣化，勢必增加信號調理電路的多樣性，不利于系統(tǒng)的簡化和模塊化。在量化位數(shù)一定的系統(tǒng)中，被衰減處理的信號中實際量化誤差等于N倍(N是信號被衰減的倍數(shù))的最小量化誤差，因此合理的信號調理電路和A／D取值是保證量化精度的關鍵。本文提供的方式有效地解決了這個問題，既簡化了前端信號調理電路的復雜度，又充分利用了A／D轉換器的輸入電壓動態(tài)范圍和量化位數(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)了對多路模擬信號的自適應采集，對其他信號采集系統(tǒng)也具有一定的借鑒意義。
l 系統(tǒng)設計
該系統(tǒng)主要由信號調理電路、采集電路和時序控制等幾部分組成。被測模擬信號經(jīng)過信號調理電路后，經(jīng)多路選擇器的快速切換，按需求依次送入A／D轉換器進行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)送入FPGA中處理，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)設計的主要指標：模擬信號通道數(shù)為46路；系統(tǒng)采樣率大于300 Kb／s；量化位數(shù)為8位；頻率響應范圍為DC～1 kHz；通道采樣率為100 Hz，200 Hz，400 Hz，500 Hz，800 Hz，1 kHz，2 kHz，4 kHz可選；A／D轉換器允許輸入信號的最大幅度為±10 V。
2 系統(tǒng)各部分功能及實現(xiàn)
2．1 信號調理電路
信號調理電路主要完成被測信號的阻抗匹配和電壓變換，設計時信號調理電路均采用差分輸入電路形式。針對不同類型的信號，通過調整電阻阻值即可實現(xiàn)信號的衰減、放大或者阻抗匹配，有利于電路形式的模塊化和標準化。信號調節(jié)電路如圖2所示。
整個信號調理電路采用±12 V供電，根據(jù)信號類型將全部模擬信號調理到合適的范圍內，以便充分利用A／D的輸入動態(tài)范圍來實現(xiàn)自適應采集。
2．2 采集電路
采集電路主要包括多路選擇器和A／D轉換器等，多路選擇器采用ADG406，通過級聯(lián)可以形成46路模擬信號通道，采用±12 V供電，保證調理后的信號不失真通過，12根地址線用來控制模擬信號的切換；A／D轉換器采用AD7892-1，其具有±10 V的輸入電壓動態(tài)范圍和12位的量化能力，信號輸入范圍設置為±10 V，控制線用來控制A／D轉換器的工作狀態(tài)，并將轉換后的12位數(shù)據(jù)全部接入FPGA中進行處理。
2．3 時序控制
時序控制通過FPGA程序來實現(xiàn)，主要完成多路選擇器的切換，A／D轉換器的控制和自適應采集邏輯等功能。對于多路選擇器的切換和A／D轉換器的控制邏輯，只要注意多路選擇器的開關穩(wěn)定時間和A／D轉換器的采樣時刻即可完成數(shù)據(jù)采集。自適應采集就是根據(jù)已知模擬信號的類型自動選擇A／D的轉換器輸出碼位來實現(xiàn)的。為了便于對后文的理解，表1給出AD7892-l輸入／輸出對應碼表和處理后的碼表。
前面信號調理電路根據(jù)模擬信號的類型把信號分別調理到0～5 V，-5～-O V，-5～+5 V，O～+10 V，-10～-0 V，-10～+10 V等范圍內，結合表1的內容即可實現(xiàn)對模擬信號的自適應采集，保證信號的采集精度。數(shù)據(jù)自動轉換模塊的FPGA程序示例如下：
通過測試驗證，該法是可行的。在不改變任何硬件電路的情況下，通過FPGA程序可有效實現(xiàn)模擬信號的動態(tài)量化，確保信號的量化精度。通過數(shù)據(jù)處理軟件即可恢復原始信號，如圖3所示。
3 結語
設計的基于FPGA的多路模擬信號自適應采集系統(tǒng)，在有限的量化位數(shù)限制下，充分利用信號調理電路、A／D轉換器的輸入電壓動態(tài)范圍和12位的位寬，在相同的量化位數(shù)下提高了大部分模擬信號的采樣精度，具有一定的參考價值。
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