基于FPGA 的硅光电池微弱电流信号检测技术研究

2024-04-07王金，黄侃

通信电源技术 2024年2期

王金，黄侃

（江西交通职业技术学院，江西南昌 330013）

0 引言

硅光电池是一种利用光生电效应将光能转化成电能的半导体器件，已在航空、数码摄像、光伏发电等领域得到广泛应用。硅光电池输出的电流信号非常微弱，无法直接用于驱动其他电路或设备，且容易受环境和噪声等因素的干扰[1]。因此，精确检测硅光电池微弱电流信号是保证硅光电池质量的重要手段。目前，国内检测硅光电池输出的μA级多通道电流时，普遍采用模拟切换开关加常规运算放大器的方法。由于模拟切换开关存在通道间的泄漏电流和数字信号切换干扰，并且常规运放噪声和输入失调电流较大，从而导致μA 级微弱电流测量不准确。

文章针对目前国内硅光电池（特别是航天用硅光电池或光电组合件）的光电特性测量现状及其准确测量要求，采用每通道电流独立处理后加精密运放与滤波的微弱电流信号调理方法，然后进行模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换，利用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）进行转换控制和电流信号的采集和发送[2]。

1 总体设计

硅光电池微弱电流信号检测总体硬件设计方案如图1 所示，共支持14 独立通道，包括一级前置放大、二级放大、低通滤波、A/D 转换、FPGA 数据采集和存储以及上位机通信等模块。

图1 总体设计方案

1.1 一级前置放大模块

一级前置放大模块是微电流-电压放大电路。集成硅光电池及组件的输出电流极其微小，只有0 ～15 μA，为有效提取和分辨出光电池电流，选用具有输入偏置电流小、失调电流和电压小、漂移低、增益高、共模抑制能力强以及输入电阻高等优点的放大器ICL7650 作为一级前置放大模块的放大器。

为满足放大器线性度和带宽要求，一级放大器电流-电压放大倍数设置为5 000，设计反向比例运算放大电路，采用T 型电阻网络替代高阻值的反馈电阻。由于电路增益较高可能产生高频振荡，设计时在电阻R2两端并联小容量电容C1。根据放大器ICL7650 的特点，其同相端并未接平衡电阻，而是直接接地[3]。为保证通道一致性，在对14 路硅光电池电流进行放大时，采用14 个同批次ICL7650 放大器进行同步放大。

1.2 二级放大模块

二级放大模块为电压-电压放大电路，电压放大倍数设置为100 倍。由于一般要求放大后的输出电压信号取值范围为0 ～10 V，二级放大器的供电电源电压需大于+10 V，而ICL7650 不能满足此应用需求，故选择OP07 作为二级放大模块的放大器[4]。二级放大器OP07 的电路原理如图2 所示。其供电电压为±15 V，可满足0 ～10 V 电压放大的要求。为满足电压放大并保持输出与输入同相的需求，设计反向比例运算放大电路，使用T 型反馈网络电阻作为其反馈电阻，从而有效提高增益的精度和稳定性，减小噪声。此外，为了保证运放输入级差分放大电路的对称性，放大器的同相端通过补偿电阻接地。

图2 二级放大器OP07 的电路原理

1.3 低通滤波模块

因为前端放大后的信号可能受到来自光电池本身和周围环境的干扰，使输出信号中夹杂着高频噪声，影响检测系统的测量精度，所以需要设计低通滤波电路来过滤高频噪声。为避免无源低通滤波电路的通带放大倍数及其截止频率随负载的变化发生变化，设计有源低通滤波器[5]。

有源低通滤波电路由RC 网络和集成运放组成。为保持信号的线性度和一致性，滤波模块的集成运放采用OP07，设计同相输入低通滤波器，如图3 所示。

图3 低通滤波器电路

通带放大倍数为

式中：f为输入信号频率；j 为虚数单位。设本系统电路信号通带截止频率fp=5 Hz，则设计的低通滤波器需满足f0≥5 Hz，可将低通滤波电路参数设置为R=10 kΩ、C=0.1 μF。

1.4 A/D 转换模块

A/D 转换模块用于将经过放大滤波处理后的14 个通道的模拟电压信号转换为数字电压信号。AD7606 是亚德诺半导体技术有限公司（ADI 公司）的16 位、8 通道的AD 转换芯片，其分辨率和模拟输入电压范围满足硅光电池微弱电流信号检测系统的A/D 转换指标要求。由于通道数为14 路，本模块电路采用2 个AD7606 芯片，A/D 转换启动、片选、读写控制信号均由后端FPGA 进行设置，实现各通道同步采样和转换数据的并行输出。

为了对14 个通道的数字电压信号进行同步采样，需将AD7606 的CONVSTA 和CONVSTB 短接，并施加一个转换开始信号。Range 引脚与逻辑高电平相连，保证所有通道的模拟输入范围为±10 V。当转换开始信号启动时，表明转换过程开始，此时AD7606 的CONVSTA 和CONVSTB 管脚同时为高电平，BUSY 管脚也为高电平并保持，直到所有14 个通道的转换都已完成为止。当BUSY 管脚出现下降沿时，表明转换数据正在锁存至输出状态寄存器，需经过锁存时间后才可读取。将片选信号及并行数据读取控制信号同时接低电平，此时使能输出总线DB，并将16位AD 转换结果输出到并行数据总线DB0～DB15上，至此完成一个周期的A/D 转换。

1.5 FPGA 模块

FPGA 器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现特定应用的功能。本模块中，FPGA 用于实现将模数转换后14 个通道的数字电压信号进行存储和上位机通信功能。选用EP2C8T144C8N 作为主处理芯片。

FPGA 首先需要设置I/O 口，对AD 转换芯片的片选、读写、复位和通道转换进行控制。在A/D 转换过程中，AD7606 向FPGA 发出高电平的BUSY 信号，待转换结束后，BUSY 信号恢复为低电平。经A/D 转换后14 个通道的数字电压信号通过FPGA 的I/O 口存储至片内RAM。各通道电压A/D 转换数据在FPGA 中存储完成后，FPGA 向ISA 数据采集板卡发出中断信号，启动上位机通信功能，接收来自ISA 板卡的地址信号、片选信号、读写信号以及控制信号，实现数据的上位机通信功能。

1.6 ISA 总线通信模块

FPGA 与上位机通信可通过ISA 数据采集板卡实现。来自ISA 板卡的信号线包含8 位数据线，8 位地址线、片选信号和读写控制信号。8 位数据线的传输要经过电平转换芯片74LVC4245 将+5 V 电平转换为+3.3 V 电平，或者将3.3 V 电平转换为5 V 电平。而74LVTH16245 用于将8 位地址线、片选信号和读、写控制信号的+5 V 电平转换为+3.3 V 电平，信号由并行数据口传输至ISA 板卡，与工控机相连实现信号的传输。而ISA 板卡对信号的采集受FPGA 中断信号的控制，当AD 转换输出的数字信号在FPGA 中存储完成，FPGA 往ISA 板卡发出中断指令，使ISA 板卡对FPGA 内双口RAM 中存储的AD 数据进行采样。

1.7 电源模块

电源模块电路设计本系统所需电压，其中放大器OP07 的供电电压为±15 V，放大器ICL7650 的供电电压为±5 V，A/D 转换芯片AD7606 的供电电压为+5 V，逻辑输入电压为+3.3 V，FPGA 的供电电压为+3.3 V，内核电压为1.2V 。各电平转换芯片所需的供电电压为+5 V 和+3.3 V，其他接口电路所需电压为+5 V。

现有的±15 V 电源电压可直接给放大器OP07供电，MAX660 可将+5 V 电压转换为-5 V 电压，用于给放大器ICL7650 供电。TPS73701 芯片可将+5 V电压转换为+3.3 V 和+1.2 V 电压，用于给AD7606和FPGA 供电。