高精度多路模拟量采集电路设计与实现

裴静静　李孟华

（中航工业西安航空计算技术研究所　西安　710065）

1　引言

随着导弹技术的迅速发展，导弹具备的功能日趋复杂，弹载计算机作为现代导弹制导与控制系统的核心部件，常常需要对多路不同连续变化的信号进行采集、传输、储存与处理，迅速响应环境变化，其采集精度及处理速度直接影响到导弹杀伤目标的精确度，因此对其测量精度、采集速度、数据稳定性和远程通信质量的要求也越来越高。

目前，在数据自采集系统中，多路信号采集［6］大多采用集成多路模拟开关，其可靠性、电气特性以及实际使用性能的优劣直接影响采集系统的可靠性与精确度。模拟量采集主要采用AD转换技术［7］，但是由于AD芯片增益误差、偏移误差及外部电路干扰噪声等因素的影响，AD转换精度往往不能满足系统的要求。如何选择及正确使用性能较好的多路开关以减少采集电路对AD采集精度的影响以及采取一定措施对AD采集的结果进行修正成为目前关注的重点。

本文针对弹上模拟量信号复杂多变，而导弹对弹载计算机模拟量采集速度及精度要求较高的状况，提出一种基于AD采集芯片AD976A及FPGA［10］的多路模拟量快速采集处理电路。该电路可通过软件算法对AD采集结果进行修正，提高AD采集精度，通过FPGA控制多路模拟转换器实现多路模拟信号自动循环采集，并采用分区操作系统实现数据快速处理，实现了弹上多路信号的精确监测与控制。

2　采集电路的组成及工作原理

本文设计的模拟量采集电路可实现弹上电压、温度及舵机位置反馈等信号的快速采集和处理，主要由信号调理电路、多路转换电路、信号隔离滤波电路、A/D转换电路及采集处理电路组成。多路模拟量采集框图如图1所示。

图1　高精度多路模拟量快速采集处理电路框图

信号调理电路主要用于实现输入信号幅值调理，调理后信号电压范围为-10V～+10V；多路转换电路用于多路模拟信号的选择性输入，在某一时刻仅对其中一路模拟信号进行采样处理；信号隔离滤波电路实现对AD输入前端信号进行隔离及低通滤波，提高模拟信号隔离度并有效地抑制尖峰脉冲及部分噪声的干扰［9］；A/D转换电路［4］用于实现16位模数转换；采集处理电路用于对AD转换后的结果进行采集，采集的结果放入缓冲器中供Power PC处理器［8］进行读取及处理。

3　采集电路设计与实现

3.1　信号调理电路的设计

集成运算放大器［5］是一种高放大倍数的直接耦合放大器，在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如信号放大、信号运算、信号滤波调制以及波形的产生和变换等。

本文使用的AD采集芯片允许输入信号范围是-10V～+10V，实际应用中采集的信号往往不在这个范围内，因此需要对输入信号进行适应的放大或缩小，本文选用LM148J四运算放大器实现输入信号的调理。由运放构成的同相比例放大电路如图2所示，其中R1和C1构成RC滤波电路，实现对输入信号的低通滤波，R2、R3构成了反馈回路，根据运放虚短路和虚断路的特点可得VO=(1+V。实际应用中可根据信号线路中的噪声范IN围选择R1、C1的值，根据信号幅值特性选择R2，R3的阻值。

图2　比例放大电路

3.2　多路选择电路

本文采用ADI公司的16选1模拟多路选择器ADG506A［3］实现多路模拟信号的选择，并通过FPGA控制多路模拟转换开关，实现弹上电源信号、温度传感器信号、舵机位置反馈信号等多路模拟信号自动循环采集。ADG506A工作电压范围为10.8V～16.5V，综合考虑系统的供电条件与多路开关自身的电气特性，本文采用双端±15V供电，降低了转换开关导通电阻对信号传输精度的影响，并提高了开关的转换速度。

3.3　隔离滤波电路

采用运放及电阻电容构成跟随器及RC滤波网络，对AD输入前端信号进行隔离及低通滤波，运放的特点是输入阻抗无穷大，输出阻抗为零，相当于对前端电路开路，对后端电路是一个恒压源，这样既避免了对前端模拟量的影响，又可以起到隔离作用，提高了AD采集通道信噪比。

隔离滤波电路如图3所示，其中R1和C1构成RC滤波电路，实现对输入信号的滤波，实际应用中可根据信号线路中的噪声范围选择R1、C1的值。

图3　隔离滤波电路

3.4　A/D转换及采集处理电路

采用 AD976A［2］实现模拟量信号采集，AD976A是美国AD公司推出的一款16位A/D转换芯片，带有高速并行接口，最高转换速率200k/s，其具有低功耗、高精度等特点。

AD976A内部集成温度补偿的电压参考，精度为2.5V±20mv，AD输入全范围为±4REF，正常电压输入范围为±10V。设计采用内部参考，外围电路设计如图5所示。

FPGA控制A/D转换器开始进行转换，并在转换完成后，将数据从A/D转换器中读出放入缓冲器中供CPU处理，CPU读取采集结果后根据相应的算法将结果转换成电压值供上层应用使用。本设计处理器上运行国产天脉2嵌入式分区操作系统，提高了AD数据传输和处理的速率及可靠性。

图5　AD976A外围电路设计

4　模拟量采集校正算法

A/D芯片作为模拟量采集的核心部件，其内部ADC容易受到参考源的影响，当采用内部参考源时，可通过软件进行校正［1］，提高AD采集精度。

理想情况下ADC传递函数如图6中L1所示，实际上由于增益误差和偏移误差的影响，ADC传递函数如图6中L2所示。

则实际增益K可通过式（1）计算：

式中V1和V2为两次实际输入值，D1和D2为两次转换输出结果。

校正后的结果Dad可以通过式（2）计算：

式中Dad为软件校正后的转换结果，Dr为实际转换结果，D0为实际偏移，即输入为0时的偏移量。

式（1）中增益K，可以通过多组输入值计算取平均的方式提高增益K的精度。如：ADC分别输入V1、V2、V3、V4、V5，输出分别为 D1、D2、D3、D4、D5，两两组合分别计算K值，最后多组结果取均值。

图6　ADC传递特性

5　测试结果

使用稳定电压信号源输出-10V～10V电压，按照本文提出硬件电路进行AD采集，记录AD采集结果，相同输入电压情况下使用校正算法对采集结果进行校正，校正前及校正后的结果如表1所示。从表1记录记过可以看出，未使用软件校正前采集误差最大可达到25mV，采用校正算法后的最大误差为5mV，大大提高了AD采集精度。

表1　采用硬件校正结果比较

6　结语

本文以AD976A为AD转换芯片，搭配FPGA和PowerPC处理器设计了一种的多路模拟信号采集及处理电路，该电路AD转换及处理时间短、一致性及稳定性高。采集结果可通过软件进行修正，大大提高了AD采集精度，能够实现弹上多路模拟信号的实时准确监测与控制。

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