基于FPGA 的高精度电量信号输出卡设计

焦新泉，胡晓捷，贾兴中

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）

随着遥测信号要求的不断提升，对于高精度电压信号的要求也随之不断提高，针对以往电量信号精确度低[1]、稳定性差等特点，设计高精度电量信号输出卡显得尤为重要。

电压信号对于模拟弹上信号十分关键，因此根据以往设计输出8 路电量信号卡稳定性差、精度低等特点。该文设计不仅实现了32路信号输出，同时采用了高压运放，实现了高电压信号的高质量输出。通过光电耦合器使输出电压信号进行自检，确保了输出信号的可靠性。对于设备自身来说，输出信号的自检有着重要的作用，自检功能增强了输出信号的可信度，方便在联试时快速定位问题的根源，确认自身设备是否存在问题，对于电量信号输出卡是一个新的突破点。

1 总体方案设计

根据任务书所提的设计要求，控制器需要精确地采集32 路模拟弹上电池电压为-70～70 V 的电压信号。所以电量信号输出卡输出电压信号的精确度越高，对于控制器采集到的模拟信号越具有价值。出于项目实际性需求，该文设计采用了Xilinx 公司的高可靠性FPGA 作为板卡的核心器件来控制整个电路的工作，型号是XC7A100T-FGG484，具有101 440 个逻辑单元，数据传输速率为6.25 Gb/s。

秉着输出高精度电压信号[2]的设计核心，上位机通过PCI 数据总线与FPGA 进行数据传输，数据通过16 位的高精度DA 以及信号调理电路转化电压信号输出；输出的电压信号通过信号调理电路以及AD 转换后将信号传递给FPGA。上位机下发自检指令，通过比较上位机的自检电压值与万用表测得的输出电压值，测试得出自检电压精度[3]达到±0.14%，电量信号输出卡总体框图如图1 所示。

图1 电量信号输出卡总体框图

2 硬件设计

2.1 电源模块设计

电源模块设计选用Vicor的隔离式DC-DC电源模块，电源模块的输入电压为12 V，输出电压为±75 V，实现了高电压供电，同时电源模块发热量较小，对于整个测试设备来说降低了损耗。

市电220 V 电压通过机箱背板转换为12 V 向电量信号输出卡供电，通过采用Vicor 公司的高性能电源，将12 V电压转换为±75 V为高压运放供电。根据芯片手册所提供的资料得出，在输出电压Trimming up过程中需要在Sense 端口与Trim 端口接调试电阻。通过公式计算得出需要接入的调试电阻为6.8 MΩ。同时在电路设计过程中需要在电源输入端与输出端接电容[4]，电容起到一定的稳压作用，而且防止了其他杂波对输出电源的干扰。

电容的耐压值也是需要考虑的因素，电容耐压值的40%～60%是输入或输出电压；否则会由于电容耐压值不够而导致电容被击穿。该文设计过程中选用了开关电源，开关电源工作在开关状态，效率远远高于线性电源。在电源测试过程中需要外界负载，否则会导致无法准确地测试输出电压值[5]。电源模块电路图如2 所示。

图2 电源模块电路图

2.2 数模转换过程

任务书对于电量信号输出卡的输出电压精度要求是±0.16%，因此在设计过程中使用分辨率较高的DAC 芯片，在电压信号输出的电路中DA 的转换过程对于输出电压的精度至关重要[6]，所以在DAC 芯片选用过程中，理论上位数越高，精度就越高。设计中，采用LINER 公司的单通道电压输出数模转换器的型号是LTC2642，LTC2642 是16 位无缓冲的输出电压DAC，为了提高输出精度，在电路中设计电容器提供高频旁路。REF 和GND之间附加的4.7 μF 电容提供了旁路电容。

同时为了进一步提高输出电压的精度，通过改变印制电路板的设计来提高输出电压精度，设计电路板时，严格区分模拟区域和数字区域[7]，分区域布置电路板，采用单点接地的方式防止共地环路影响模拟信号的测量精度。

2.3 双极性高电压输出电路设计

16 位DAC 实现了电量信号输出卡数字量到模拟量的转换，DAC 输出的电压值为±2.5 V，通过精密、低功耗、四通道的AD824 实现电压信号的稳定，经过信号调理电路后输出-70～+70 V[8]。信号调理电路原理是数字信号经过DAC 后输出±2.5 V 的电压信号，将±2.5 V 的电压信号传递给高压运放ADHV4702-1。U2 起到了信号的放大作用，U2 的电压放大倍数公式如下：

经过放大后，输出电压为-70～+70 V。同时电容C5、C6接在±12 V 的电源上，起到滤波和抗干扰的作用；SD 引脚与TMP 引脚之间需要串联一个200 Ω的电阻，对高压运放起到短路保护的作用。

高压运放采用的是ADI 的精密运算放大器ADHV4702-1，ADHV4702-1 是一款供电电压可达220 V、单位增益稳定的运算放大器，同时具有170 dB的典型开环增益和160 dB 的共模抑制比（CMRR），可以很好地抵抗外界共模干扰信号对电路的影响，在输出电路中接了200 Ω的电阻，对输出电路起到保护作用，防止瞬态电流导致对方设备烧坏。同时，考虑到项目整体的可靠性，对方设备在对接接口电路中应当设计接口保护电路。双极性模拟量信号输出调理电路如图3 所示。

图3 双极性模拟量信号输出调理电路

2.4 采样保持电路

电量信号输出卡输出32 路电压信号[9]，在电路设计过程中，每路输出均采用模拟多路复用器会导致电路复杂化、PCB 板卡设计工作量较大。因此为了简化电路设计，采用AD 公司的16 通道的模拟多路复用器ADG1606，ADG1606 将16 个输入中的一个切换到一个公共输出，在模拟多路复用器输出端接运放AD824，在设计中运放AD824 作为电压跟随器，它的作用是保持电路的输入电压与输出电压几乎相等，起到隔离和缓冲的作用，运放输出端电阻为51 Ω，防止电路上电瞬间电流过大，造成对方设备的损坏[10]。

采样保持电路的设计直接决定了自检精度的大小，如果模拟开关没有完全切换，输出时电容C10两端电压出现掉电情况，会导致自检电压值存在较大误差，导致自检电压精度远远大于0.14%。所以采样保持时间应该大于开关切换时间[11]。充放电时间公式如下：

电容完全充满时间接近无穷大，当T=5RC时，电容电压等于0.99E。由此可以得出，采样保持时间应大于5RC。根据芯片手册ADG1606 每路切换的时间为175 ns，所以开关切换时间公式为：

采样保持电路中5RC＞16.8 μs。采样保持电路如图4 所示。

图4 采样保持电路

2.5 电量信号输出卡自检电路

为了得到高可靠性的输出电压，设计了输出信号自检电路。自检信号精度要求为±0.14%。自检电路的设计理论相当于信号板卡的闭环自检，不用外接电缆进行测试，使项目简单易上手[11]。自检电路的作用是验证输出信号的正确性，电量信号输出卡与甲方采编器对接出现问题时，可以迅速、高效地找到自身设备的问题。

电量信号输出卡有32 路输出通道，通过光电耦合器AQW210EHAZ 的通断实现输出电压的自检。提升了设备自动化水平。测试数据标定时，只需要对第1 路电压信号进行自检标定，标定完成后，需要根据上位机测试软件对其余32 路电压信号进行自动校准，极大地提升了设备的自动化水平[12]。由图5可以看到，HC 的电压信号范围为-70～+70 V，偏置电压为2.5 V，通过电阻R211与R210分压，输出电压为-2.5～+2.5 V，经过U4C 的电压跟随电路，U3C 提供的偏置电压为2.5 V，经过同相加法电路后U3A 的输出电压为0～+5 V。在U3A 的输出端接有分压电路，经过计算，U3D 的输出电压为2.27 V。

图5 电量信号输出卡信号自检电路图

根据AD7667 的芯片手册可知，IN+的输入电压范围为0～2.5 V，只有输入IN+的电压值在0～2.5 V 电压的范围内，才可以将输入的模拟量转换为数字量[13]，经过信号调理电路输入AD7667 的电压为2.27 V，在输入端的电压范围内。AD7667 将数字量信号通过CPCI 总线传送到FPGA，通过上位机实时显示自检电压值。与此同时用万用表测量同一通道，记录输出电压值，进行数据标定。电量信号输出卡自检电路如5 图所示。

3 软件设计

电量信号输出卡采用的是40 M 的晶振，每到一个新的clk，电路就会执行新的指令。在电量信号输出软件设计过程中，首先，上电执行复位指令，电路恢复成初始状态。等待几个时钟后，启动信源，FPGA 将数字量信号传递给LTC2642，将数字量信号转化为32 路模拟量信号后信源停止。实现DA 转换后，将32 路模拟量信号通过模拟开关切换输出[14]，输出流程图如图6 所示。

图6 输出流程图

输出信号自检的软件设计过程中，电量信号边输出边执行自检操作，自检信号经过调理电路将数字量信号传送给FPGA。标定关系式如下：

将数字量转换为模拟量输出，在上位机显示自检电压值。其中，y代表输出的模拟量，x代表输入的数字量，k为斜率，b为截距。自检流程图如图7所示。

图7 自检流程图

4 测试数据分析

测试过程中将电量信号输出卡插在CPCI 架构式机箱上，通过上位机下发0000～FFFF 数据指令，采用34410A6 1/2 位高性能数字万用表测试输出电压[15]。

电量信号输出卡通过两种方式进行标定：第一种标定方式为手动标定，第二种标定方式为自动标定。手动标定是上位机0000～FFFF 由32 路输出电压进行拟合，得出每路信号的k、b值。标定后测试数据如表1 所示。

表1 手动标定后测试数据

由表1 可得出电量信号输出卡的精度达到了任务书所提的设计要求±0.16%，测试最高精度为0.12%。

第二种方式是上位机下发0000～FFFF 配置文件，由万用表测得第1 路输出信号的电压值，要求精度达到±0.16%，将其进行线性拟合，其余32 路信号以第1 路输出信号为标尺进行线性标定。理论上第二种标定方式精度要高于第一种标定方式，自动标定减少了人为操作误差。标定测试数据如表2所示。

表2 自动标定后测试数据

由表2 可得出，通过线性拟合后，采用以第1 路数据为标尺自动标定其余32 路的数据精度要高于32 路手动标定，测试精度最大提高0.08%，最小提高0.04%。

根据自检测试数据得出，自检电路数据经过线性拟合后，由上位机下发配置文件，通过万用表测试输出电压值，由测试数据得自检精度达到±0.14%，达到预期设计自检电压精度，自检标定后测试数据如表3 所示。

表3 自检标定后测试数据

5 结论

该文设计了一种多通道的电量信号输出卡，32路电压信号精度高，可靠性好。电压输出精度达到任务书要求的±0.16%，自检信号达到设计要求的±0.14%。测试数据采用自动标定的方式[16]，输出精度至少提高0.04%，实现了高精度的电压信号输出。该文设计测试设备已交付使用，与甲方设备联调测试无误，满足任务书所提的性能指标要求。