基于FPGA与AD9744的高精度信号源的系统设计

任勇峰，姜喜洋，焦新泉，贾兴中

(中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

随着电子科技的高速发展，信号源作为最基本也是应用在通信、雷达、电子对抗及现代化仪器仪表等领域最广泛的电子仪器之一，其功能也越来越多，从原来的产生单一的正弦波、三角波等标准波形，到现在可以产生任意波形，不仅操作上越来越方便，体积也在不断变小[1-2]。随着科学技术的不断进步，对信号源输出模拟信号的精确度、稳定性以及频率分辨力都有了更高的要求。因而，设计一个波形稳定、性能可靠的信号源就成为迫切的需要。

系统采用FPGA为核心控制器，利用FPGA强大的并行处理能力，多输出管脚的优点结合选通开关进行多路切换，实现多达40路的模拟信号输出，并且根据需求，可方便地进行扩展。相较于传统的信号源采用FPGA结合DDS的模式，本设计方法更加简单灵活，可以输出直流、交流等信号，电压幅值精度优于0.1%，交流信号频率精度达到0.01%。

1 系统整体方案

系统遵循模块化、高集成和高可靠性的指导思想开展设计。整个数据采集系统的设计以FPGA为核心，系统主要包括模拟信号产生模块、数据通信模块和FPGA逻辑控制模块3部分组成。信号产生模块包括D/A转换电路、放大电路、二阶低通滤波和多路模拟开关等。数据传输模块由以太网W5300和串口通信RS422构成。各模块在FPGA的控制下共同实现多路模拟信号的输出，整体设计如图1所示。

图1 整体设计方案

系统上电复位后，上位机下发控制命令、波形参数等信号，经以太网接口传入中转站背板进行命令解析。背板将解析的命令经RS422传输至功能板中央控制核心FPGA，其检测到相应的控制命令后，FPGA从寄存器中读取波形数据，产生的数字量发送至D/A转换器进行波形重构，同时控制模拟开关的通道选择，最后经放大、滤波等电路完成多路模拟信号的输出。

2 硬件电路设计

2.1 模拟信号产生模块

2.1.1 D/A转换电路设计

数模转换作为信号源的核心，其转换精度关系到系统的整体数据精度，决定整个系统是否能够达到应用要求的关键。系统选用14 bit高速高精度D/A转换芯片AD9744实现数模转换，该芯片输出2～20 mA 差分电流，转换速率为125 MSPS，输入信号组织时间2 ns，保持时间1.5 ns，最大功耗为135 mW[3]，通过降低满量程电流输出，其功耗可以进一步降低至60 mW左右。同时提供卓越的交流和直流性能，电路连接图如图2所示。利用AD818运算放大器实现差分-单端转换，在AD9744配置输出配置R4、R5电阻，阻值为25 Ω。通过IOUTA和IOUTB产生的差分放大器转换为单端信号。在IOUTA和IOUTB之间添加电容C2，形成低通滤波器的一个真正的极点，能够防止数模转换器的高摆动输出使运算放大器的输入过载，同时该电容的加入能够增强运算放大器的失真能力。

图2 AD9744数模转换电路

在此电路中，配置的共模抑制一般由电阻匹配决定，采用AD818构建差分运算放大器，从而提供部分额外的信号增益。放大器采用双电源供电，输出大约为±1 V，对电路参数多次调试，考虑到运算放大器的差分增益，选取R2=R3=200 Ω，R7=500 Ω，使用内部基准电压为1.2 V，理论输出电压值得计算公式为

(1)

式中：DAC由输入的待转换数据值来决定；IOUTFS为满量程输出电流；N=14。

2.1.2 放大电路设计

数模转换芯片输出电流经I/V转换电路后，输出电压为±1 V。为满足小电压的需求，增强共模抗干扰能力。采用AD818构建反相低压放大电路，同时采用-9～9 V供电，放大倍数为A=-R63/R61，本设计实际选取R61=3 kΩ，R63=12 kΩ ，计算放大倍数A=-4，实际输出为-4～4 V，电路连接图如图3所示。

图3 反相放大电路图

为满足多种高输出电压幅值的需求，选取运放芯片OPA454构建同相放大电路，同时系统要求最大输出电压幅值为34 V，所以采用-45～45 V的电压供电。电路中R67=1 kΩ，通过更改R68的电阻值，达到输出多种电压幅值的目的，电路连接图如图4所示。

图4 同相放大电路

2.1.3 多路模拟开关

为实现多路模拟信号输出，同时减少系统的复杂度，采用多路模拟开关简化系统结构。模拟开关具有切换速率快、功耗小、工作可靠且容易控制等优点[4]。为实现通道一对多切换，综合导通电阻、通道数量、泄漏电流以及开关速度等技术指标考虑，选取ADG1208作为模拟开关芯片，单片模拟开关电路图如图5所示。

ADG1208包括8个单通道和4个差分通道，通过选择EN使能端的高低以及根据三位二进制地址线A0、A1、A2的规定，将8路输入之一切换到公共输出，保证同一时刻只有一路模拟信号输出。导通电阻仅为120 Ω，而极低的导通电阻，能够减小输入信号的损失，避免系统精度降低；同时还具有低功耗和高开关速度特性打开时，每个通道在2个方向上的传导同样良好，输入信号范围扩展至电源。

图5 ADG1208电路图

2.1.4 调理电路设计

为减少模拟开关输出信号存在减弱趋势对系统造成不利影响，设计时应在模拟开关后端添加跟随电路以保证其驱动能力，使得开关输出的信号得以保持，提高带负载能力，便于后续继续对信号进行调理[5]。本系统在模拟开关后连接一个电压跟随电路保证输出信号稳定，起到阻抗匹配的作用，促进后一级电路工作，电路连接图如图6所示。

图6 调理电路

在设计滤波电路时，为保证输出的正弦信号波形圆润平滑，采用两级RC滤波和同相比例运算放大电路构建二阶巴特沃斯低通滤波器，减弱高频噪声干扰，进而滤除高频分量。同时本系统输出的正弦信号频率分别为500 Hz和8 kHz，实际电路采用两个1 nF电容进行滤波。直流信号输出虽然控制方式简单，但有较高的信号精度要求，分析得出直流信号输出精度主要由电源的纹波以及器件差异造成的幅度偏移影响，幅度偏移可以通过标定有效解决，同时利用线性电源将纹波控制在10 mV以内。

2.2 数据通信模块

相较于传统采用PCI与上位机进行通信连接，本系统采用以太网硬件实现方案W5300实现上位机与信号源系统之间网络通信传输，接口电路图如图7所示。

图7 以太网接口电路连接图

以太网数据传输接口的实现方式采用集成以太网接口芯片W5300，它内部集成了10/100M以太网控制器、MAC以及TCP/IP协议栈，将网络协议独立于控制器之外，使程序与协议分离[6]，有传输速度快、稳定性与可靠性高等优点。以太网工作时采用16位数据接口进行连接，利用直接寻址方式，实现数据的高速传输。采用隔离变压器W5300与RJ45进行连接，不仅有效增强差分信号的抗干扰能力，同时防止因W5300的不同电平而对网线输出造成损坏。

3 系统软件设计

3.1 总体功能逻辑设计

FPGA逻辑控制单元主要进行控制时序逻辑、数据处理和数据缓存转发。系统采用程控方法实现对幅值的控制，利用上位机下发幅值程控系数，背板控制单元针对上位机下发的命令进行判别，若命令无效则直接剔除，若有效，则对下发命令进行解析，之后通过RS422接口发送至各个功能板。功能板FPGA接收指令后经内部加法器、乘法器等生成14 bit数字量，再发送给数模转换芯片AD9744进行数模转换，最终输出模拟信号，总体功能逻辑图如图8所示。

图8 总体功能逻辑图

3.2 D/A转换时序设计

FPGA接收背板传输的幅值、通道选择等指令，之后送出的数据要和AD9744控制时钟搭配好，如图9所示为AD9744控制时序图。每一次数据传输到数模转换芯片时都要等待时钟下降沿的到来，时钟延迟要在2 ns以上，才开始往DAC传输数据。同时输入数据的建立时间ts应大于2 ns，即数据在时钟到来之前的2 ns准备好，输入数据后DAC利用时钟上升沿对数据进行锁存，数据的保持时间应大于1.5 ns，此时间段FPGA不能再发送数据；如若FPGA再想发送输出，则必须等待1.5 ns之后，才能使输出的波形避免抖动，减小杂散噪声，保证输出波形的可靠稳定。

图9 AD9744时序图

3.3 通信逻辑设计

通过选用W5300以太网与上位机的通信，实现测试数据的高速稳定传输，达到了高性能、低成本的效果[7]。以太网通过W5300实现，主要由复位、初始化、数据接收和数据发送4个步骤构成，控制流程图如图10所示。

图10 W5300逻辑流程图

4 测试结果及分析

系统通过VB编写上位机软件，由上位机控制特定通道的模拟信号输出。图11为该系统实际测试环境，图12为系统上位机控制界面，通过上位机对所有通道的信号幅值进行调控。

图11 系统测试环境

图12 上位机界面

首先，选择交流通道2Utdd和2Utsd1，分别设定幅值为8 V和13 V，频率设定500 Hz和8 kHz，依次点击发送，示波器检测输出波形如图13和图14所示，从图中可以看出输出正弦信号波形光滑、幅值及频率精度高，达到了设计预期目标。

图13 频率8 kHz正弦信号

图14 频率500 Hz正弦信号

针对直流信号输出进行测试，选取通道2Utd设置电压幅值24 V，用高精度万用表进行测量，结果如图15所示。试验结果表明，该系统直流、交流信号输出幅值精度优于0.1%，交流信号输出频率精度达到0.01%。

5 结束语

利用FPGA逻辑功能强以及W5300以太网传输速度快的优点，结合14 bit高精度模数转换芯片AD9744，设计了一种遵循模块化的多通道高精度信号源。系统通过上位机采用程控调幅的方式，能够为测量系统更快更准确地提供幅值、频率可调的模拟信号。同时，系统所有板卡之间都采用标准协议进行数据通信，使得各模块之间逻辑实现更加规范，有利于模块的升级。试验结果表明，该信号源系统输出波形参数可控，波形光滑、幅值精度高、频率可靠稳定。

图15 直流信号24 V输出