基于FPGA具有自适应功能的数据采集系统设计

2011-08-07魏海潮李丽芳裴峰马英卓胡鹏张谦

电子测试 2011年8期

魏海潮，李丽芳，裴峰，马英卓，胡鹏，张谦

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原，030051)

0 引言

在工业控制和智能测量系统中，一般信号的变化幅度大，若采用单一的放大增益，那么小信号经放大器放大后，幅值仍然很小，经A/D变换后，会影响数据的精度，而大信号放大后又有可能超出A/D转换的量程，因此设计开发增益自动可调的程控增益放大器，使允许输入的模拟量在很大的范围内动态可调，方便与微机接口，已成为现代测控设备的必然要求，随着可变增益放大技术的不断发展，它在自动测控、智能测控、智能仪器仪表等重要领域的应用也越来越广泛[1-2]。

1 系统框图与结构原理

本设计系统完成的功能是完成对小信号的自适应算法的放大和模拟数据量化处理[2]与FPGA数据的处理。基于FPGA的自适应放大电路的设计系统的内容包括信号的滤波、小信号的放大、信号的采集及数据的处理。输入的小信号经过滤波电路后送入程控放大器，程控放大器根据FPGA的信号来控制信号的放大倍数，放大器输出的信号一路送入A/D转换器中，一路送进电压比较器，电压比较器有一个基准电压，放大器输出的电压与基准电压比较后得到一个信号送到FPGA中，FPGA经计算A/D转换后的信号与电压比较器的信号，就可以得出控制程控放大器的放大倍数，根据以上要求分析，确定系统方案的系统硬件结构框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

微弱信号采集系统硬件电路由信号调理电路和数据采集处理模块两部分组成，信号调理电路主要是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤波、电压抬升、信号传输；主要由前置放大器、反馈型抗混叠低通滤波器、程控放大器、电压比较电路和A/D转换电路构成[3-4]。数据采集处理模块主要有FPGA芯片Cyonlc EP2C20、数据存储和传输模块构成，完成对模拟输入信号的采样、过采样处理、信号振幅的计算、数字滤波和数据的传输。

2.1 程控放大电路设计

FPGA是新型的可编程逻辑器件，内部含有大量的门阵列，响应时间短，可以精确地控制时钟的输出。FPGA的处理速度很快，完全适合采集速度比较高的场合[3]。更重要的是FPGA采用系统可编程技术，即使整个数据采集系统已经投入生产，也可以根据实际情况改变系统的配置和功能，下载到FPGA芯片中即可完成功能的修改。

2.2 抗混叠滤波电路设计

有源滤波器不仅体积小，而且输出阻抗和截止频率fc无关，能够前、后级之间相互独立的设计。抗混叠低通滤波器具有通频带比较平坦，且下降快等优点。在该系统的滤波器设计中，采用反馈型低通滤波器。根据“奈奎斯特采样定律”，在对模拟信号进行离散化时，采样频率f2至少应2倍于被分析的信号的最高频率f1,即:f2≥2 f1；否则可能出现因采样频率不够高，模拟信号中的高频信号折叠到低频段，出现虚假频率成分的现象[5]。我们设计低通滤波器的采样频率为25kHz。

2.3 程控放大电路的组成

LTC6910-1是一种电压增益数字可编程的小外形宽带反相DC放大器。FPGA通过在G（G2、G1和G0）脚上的3位数字输入来控制8种电压增益选择（0、1、2、5、10、20、50 和 100）。

自适应放大原理如图2所示：在LTC6910放大输出信号，其中一路信号接A/D转换芯片的输入端，另外一路接一个电压比较器，电压比较器的基准电压为2.5V，与LTC6910放大输出信号相比较，如果电压比较器的输出为1，则FPGA输出信号控制自动增益放大器的放大倍数减小，反之，则控制自动增益放大器的放大倍数增大。

图2 程控放大电路

2.4 TLC549A/D采样电路的设计

本系统以8位A/D转换芯片TLC549为核心部件，它适合完成单通道8位转换，即比较适合在速度要求不是很高的时候，组成的一种数据采集系统。TLC549芯片可以方便地与具有外围串行接口控制器连接使用。按照TLC549严格的时序，它在完成A/D转换后，其串行输出的A0--A7二进制数据可由时序控制，并串行输出到串入并出的移位寄存器。将该寄存器的8位数据与微处理器的数据总线相连，即可完成数据传递。由此设计的基于TLC549的数据采集电路如图3所示。

图3 A/D采样电路

将图3中的5、6、7管脚与FPGA相连接，就能实现基于数据的通信和控制。对于该电路，可从端口ADIN输入外部模拟信号，而端口1Ref+与基准稳压电源相连。这样，TLC549转换得到的数据就可以由FPGA直接通过读结果程序[7-8]读出，而不需要其他硬件支持，因而可以节约硬件资源，同时也可以简化电路的拓展。

3 系统实验测试结果

在程控放大器的设计中，是FPGA根据采集到的A/D的数据实现对程控放大器的控制的，其中FPGA对A/D的驱动时序如图4所示。

图4 A/D采样驱动程序仿真

在数据采集实验中，我们采集的信号是示波器输出的0～2V的频率为100kHz的正弦信号为例，通过FPGA对A/D进行500点的采样，其中FPGA的采样频率为1MHz，将FPGA得到的数字信号通过MATLAB的相关处理就可以得到采样图像如图5的左半部分，然后再对采样后的图像进行傅里叶变换就可以得到其相应的频谱图如图5的右半部分，我们通过图可以看到所设计的系统在100kHz时能实时的不失真的采集到输入的数据，实现信号的自适应数据的采集。其A/D数据采样及频谱分析如图5。