基于FPGA实现多路模拟信号自适应采集系统的设计

    目前,在PCM／FM遥测体系中模拟信号采集普遍采用8位量化,全部模拟信号均归一化到O～5 V范围内,随着需要采集的模拟信号的类型多样化,势必增加信号调理电路的多样性,不利于系统的简化和模块化。在量化位数一定的系统中,被衰减处理的信号中实际量化误差等于N倍(N是信号被衰减的倍数)的最小量化误差,因此合理的信号调理电路和A／D取值是保证量化精度的关键。本文提供的方式有效地解决了这个问题,既简化了前端信号调理电路的复杂度,又充分利用了A／D转换器的输入电压动态范围和量化位数优势,实现了对多路模拟信号的自适应采集,对其他信号采集系统也具有一定的借鉴意义。

l 系统设计

    该系统主要由信号调理电路、采集电路和时序控制等几部分组成。被测模拟信号经过信号调理电路后,经多路选择器的快速切换,按需求依次送入A／D转换器进行采样,采样后的数据送入FPGA中处理,系统框图如图1所示。

    系统设计的主要指标：模拟信号通道数为46路;系统采样率大于300 Kb／s;量化位数为8位;频率响应范围为DC～1 kHz;通道采样率为100 Hz,200 Hz,400 Hz,500 Hz,800 Hz,1 kHz,2 kHz,4 kHz可选;A／D转换器允许输入信号的最大幅度为±10 V。

2 系统各部分功能及实现

    2.1 信号调理电路

    信号调理电路主要完成被测信号的阻抗匹配和电压变换,设计时信号调理电路均采用差分输入电路形式。针对不同类型的信号,通过调整电阻阻值即可实现信号的衰减、放大或者阻抗匹配,有利于电路形式的模块化和标准化。信号调节电路如图2所示。

    整个信号调理电路采用±12 V供电,根据信号类型将全部模拟信号调理到合适的范围内,以便充分利用A／D的输入动态范围来实现自适应采集。

    2.2 采集电路

    采集电路主要包括多路选择器和A／D转换器等,多路选择器采用ADG406,通过级联可以形成46路模拟信号通道,采用±12 V供电,保证调理后的信号不失真通过,12根地址线用来控制模拟信号的切换;A／D转换器采用AD7892-1,其具有±10 V的输入电压动态范围和12位的量化能力,信号输入范围设置为±10 V,控制线用来控制A／D转换器的工作状态,并将转换后的12位数据全部接入FPGA中进行处理。

    2.3 时序控制

    时序控制通过FPGA程序来实现,主要完成多路选择器的切换,A／D转换器的控制和自适应采集逻辑等功能。对于多路选择器的切换和A／D转换器的控制逻辑,只要注意多路选择器的开关稳定时间和A／D转换器的采样时刻即可完成数据采集。自适应采集就是根据已知模拟信号的类型自动选择A／D的转换器输出码位来实现的。为了便于对后文的理解,表1给出AD7892-l输入／输出对应码表和处理后的码表。

    前面信号调理电路根据模拟信号的类型把信号分别调理到0～5 V,-5～-O V,-5～+5 V,O～+10 V,-10～-0 V,-10～+10 V等范围内,结合表1的内容即可实现对模拟信号的自适应采集,保证信号的采集精度。数据自动转换模块的FPGA程序示例如下：

    通过测试验证,该法是可行的。在不改变任何硬件电路的情况下,通过FPGA程序可有效实现模拟信号的动态量化,确保信号的量化精度。通过数据处理软件即可恢复原始信号,如图3所示。

3 结语

    设计的基于FPGA的多路模拟信号自适应采集系统,在有限的量化位数限制下,充分利用信号调理电路、A／D转换器的输入电压动态范围和12位的位宽,在相同的量化位数下提高了大部分模拟信号的采样精度,具有一定的参考价值。