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通过采用FPGA器件实现遥测系统的多路模拟量信号源的设计
发布者:任你博娱乐 发布时间:2019-05-24 15:05

 

   

  随着遥测系统的不断发展,系统复杂程度也随之提高,因此在终端设计中,对信号源的频率稳定度、幅值范围和频率范围提出了越来越高的要求。这就要求遥测系统具备高码速、实时可重构、处理复杂结构的能力,传统的(现场可编程门阵列)是近几年发展起来的硬件可编程芯片,具有硬件密度高、结构灵活、可编程、加密性强等良好性能,在高速信号处理领域占有至关重要的地位,也为多路模拟量信号源的实现,提供了有效的途径。本文针对遥测应用,以大容量FPGA器件为核心,实现了电源独立的不同频率、不同波形的多路模拟量信号源。

  目前,大容量的FPGA主要有altera、Xilinx、latticeactelCYPRESS等公司的产品。比较而言,Altera CycloneII系列FPGA芯片速度快、容量大、内嵌Ram多、并且有DsP硬件乘法器,是低成本、低功耗应用的最佳选择。因此在本文中选用Altera公司的Cyclone II系列FPGA-EP2C8芯片,EP2C8芯片是1.25 V内核供电,具有8.256个逻辑单元(LE),36个M4K RAM块,RAM总量为165,888,18个嵌入式乘法器以及208个管脚,其中包括182个最大可用I/O引脚。Altera公司有相应的开发软件平台QUARTUSII,此软件功能强大,使用简单,支持的器件种类众多,可支持在线仿真,在线下载等,并具有丰富的IP核及逻辑功能模块资源,便于使用VHDL+模块/原理图输入界面等等。模拟量信号源主要包括中央控制FPGA单元、模拟量FPGA、静态存储SRAM、单路模拟量单元,如图l所示,

  整个系统使用USb2.0接口与计算机进行通讯,信号由计算机软件生成波形数据,通过USB口下载到主控FPGA,经过16位SRAM锁存,将各路信号传至模拟量FPGA,经由解码分路选通,输出电源独立的不同频率、不同波形的多路模拟量信号。其中包括4路单极性幅值O~30V,60路双极性幅值±15V;四种波形分别为锯齿波、正弦波和方波(占空比1:1),信号频率为0~50Hz,以及固定电平,幅值可以初始设定,并可实现实时可调。

  单路模拟量由电源隔离单元、前端稳压单元、数模转换(dac)单元和运算放大单元等构成,具体构成如图2所示,系统由双18 V供电经过稳压单元输出4.096 V,给DAC和运放芯片提供工作电压,另外通过指令启动信号在SPI总线上发送FPGA的CS、SCK、SDI信号,传至单路模拟量,将相应数字量进行D/A转换,得到的模拟量数据经由运算放大输出,即可实现64路模拟量波形。系统时钟同步输出,具有很高的可靠性。

  64路模拟量信号要求对每路信号进行独立电源隔离,本文采用的ADUM1300是基于adi公司磁耦隔离技术的通用型三通道数字隔离器,经过自制高压隔离信号调理电路,可以输出系统任务要求的相互隔离的、独立基准模拟量信号,实现SPI接口和数字转换器的隔离。它采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术,在性能、功耗、体积等各方面都有光电隔离器件无法比拟的优势。ADUM130数字隔离器在一个器件中提供三个独立的隔离通道,两端工作电压为2.7V~5.5V,支持低电压工作,并能实现电平转换。另外,ADUM130具有很低的脉宽失线M/25M/90Mb/s,ADuM130还具有直流校正功能,有一个刷新电路保证即使不存在输入跳变的情况下,输出状态也能与输入状态相匹配,这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况是很重要的。

  REF198精密电压基准,初始精度0.05%,温漂5ppm/℃,输出电流30mA,最大电源电流45 μ A,电源电压范围6.4V~15V,输出电压4.096V,每路输出电压与理论设置值的误差在30mV以内;每路驱动能力不低于5mA;该芯片同时为数模转换(DAC)模块和运放模块提供工作电压。

  MCP4821是12位DAC芯片,本文中是单电源供电,32.768 MHz时钟支持的SPI接口,温漂50ppm/℃,电源电压范围2.7V~5.5V,内部参考电压为2.048V,FPGA向MCP4821写入16位数据,如图3所示,高四位是芯片配置位(Config bits),其它12位是数据位(data bits),在CS信号上升沿有效时,经过16个时钟脉冲完成转换。

  AD824运算放大器是美国AD公司生产的单电源、低功耗、精密场效应输入的运算放大器。采用双电源工作时,它的输出电压能够达到电源的正负电源电压。AD824的芯片内含有四个性能匹配的运算放大器。在本设计的双电源工作时,额定工作电压由±1.5v到±18v。它们的输出电压摆幅仅比电源电压小10mV。输入信号有可能出现大于+VS时,运算放大器的同相输入端串联一个电阻,典型值为1k Ω,就能防止输入信号的相位反相,但将产生附加的输入电压噪声。

  在整个电路系统中,电磁干扰主要出现在输入与输出接口处,其内部结构一般不会出现电磁干扰。本系统对输入输出信号进行接口保护,防止电磁干扰的产生;并采用线性电源及电源滤波模块,关键模块均进行电磁屏蔽,以最大程度降低模块问的互扰。如图4所示,左侧为有电磁干扰的正弦波,可以很明显地看出,在正弦波波峰位置突然出现一个下拉电平,经过多次分析,此现象为输入电源受到严重干扰而引起,右侧为经过II滤波模块后的波形。

  本文应用FPGA实现了模拟/数字信号采集系统设计,异步串行数据传输等,并且通过多路切换开关循环采集,实现了对高速信号的采集和精确的电路设计,系统性能稳定,数据采集精度较高,抗干扰能力较强,具有很高的使用价值和良好的应用前景。经过多次长时间上电测试,能产生频率、幅值可调的波形信号,每路波形输出电压基准隔离,调节精度高达1%,远高于普通的信号源,完全满足系统设计的要求,已成功应用于某遥测信号源。

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  信息开关二极管专为高速开关应用而设计。 引线%哑光锡(锡) 合格回流温度:260°C 极小型SOD-523封装 适用于汽车和其他应用的S前缀,需要独特的现场和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图

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  信息开关二极管设计用于超高速开关应用。该器件采用SC-70封装,专为低功耗表面贴装应用而设计。 可提供无铅封装 适用于汽车和其他应用的S前缀,需要独特的站点和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图

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  信息采用SOT-563封装的双开关二极管。 引脚表面处理:100%无光泽锡(锡) 合格回流焊温度:260°C 超小型SOD-523封装 适用于汽车和其他应用的S前缀,需要独特的现场和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图

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  信息开关二极管专为高速开关应用而设计。该器件采用SOT-23表面贴装封装,非常适合自动插入。 低漏电流应用 中速开关时间 8 mm卷带和卷盘 - 使用BAS116LT1订购7英寸/ 3,000单位卷轴 Pb - 免费套餐。 汽车和其他应用的S前缀,需要独特的站点和控制变更要求; AECQ101合格且PPAP能力 电路图、引脚图和封装图

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  CAT25128 128-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

  信息 CAT25128是一个128 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为16kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25128设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V操作 硬件和软件保护 低功耗CMOS技术 SPI模式(0,0和1,1) 工业和扩展温度范围 自定时写周期 64字节页写缓冲区 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留

  8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准 具有永久写保护的附加标识页...

  CAT25256 256-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

  信息 CAT25256是一个256 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为32kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。输入可用于暂停与CAT25256设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0)和(1,1) ) 64字节页面写缓冲区 具有永久写保护的附加标识页(新产品) 自定时写周期 硬件和软件保护 100年数据保留 1,000,000编程/擦除周期 低功耗CMOS技术 块写保护

  - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 工业和扩展温度范围 8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘UDFN和TDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...

  信息 CAT25040是一个4-kb SPI串行CMOS EEPROM器件,内部组织为512x8位。安森美半导体先进的CMOS技术大大降低了器件的功耗要求。它具有16字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25040设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 16字节页面写入缓冲区 自定时写入周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 PDIP,SOIC,TSSOP 8引脚和TDFN,UDFN 8焊盘封装 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...

  信息 CAT25080 / 25160是8-kb / 16-kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为1024x8 / 2048x8位。它们具有32字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25080 / 25160设备的任何串行通信。这些器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 10 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 32字节页写缓冲区 自定时写周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000个编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 符合RoHS标准的8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装...

  信息 MC10 / 100EP32是一个集成的2分频器,具有差分CLK输入。 V 引脚是内部产生的电源,仅适用于该器件。对于单端输入条件,未使用的差分输入连接到V 作为开关参考电压。 V 也可以重新连接AC耦合输入。使用时,通过0.01μF电容去耦V 和V ,并限制电流源或吸收至0.5mA。不使用时,V 应保持开路。复位引脚是异步的,并在上升沿置位。上电时,内部触发器将达到随机状态;复位允许在系统中同步多个EP32。 100系列包含温度补偿。 350ps典型传播延迟 最大频率

  4 GHz典型 PECL模式工作范围:V = 3.0 V至5.5 V V = 0 V NECL模式工作范围:V = 0 V ,其中V = -3.0 V至-5.5 V 打开输入默认状态

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