张 岩，伍 春，赵志坤

(1.西南科技大学国防科技学院，四川 绵阳 621000；2.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621000)

基于FPGA的多通道数据采集卡的方案设计

张 岩1，伍 春1，赵志坤2

(1.西南科技大学国防科技学院，四川 绵阳 621000；2.西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621000)

多通道数据采集卡是将来自传感器的信号通过放大，再通过A/D转换将模拟信号转换为数字信号后由FPGA芯片采集最终在上位机上显示、处理.该系统的多通道采集卡主要是完成32路模拟通道和32路数字通道信息的采集，对A/D采集系统的模拟通道部分进行了研究，并对其精度进行了性能分析.

数据采集卡；A/D；模拟通道

随着电子科技的发展，数据采集系统的应用范围越来越广，而且所涉及的测量信号的类型越来越多样化，传统的单路数据采集早已不能满足多路测试信号的需要[1].本文研究了一种多路数据采集卡的设计方案并对其精度进行了性能分析.

1 多通道数据采集卡的整体结构

本文数据采集卡的技术要求：(1)数字量测试技术指标通道数量为32路，输入信号的范围为0～5 V，输入信号频率范围为0～1 kHz；(2)模拟量测试技术指标通道数量为32路，输入信号的形式为差分，满量程精确度为0.000 5%；(3)加速度传感器的技术指标量程为±30g，输出电压的范围为0.5～4 V；(4)测试系统要求测试精度≤0.001g.

本文设计的数据采集卡系统主要包括低噪声电源、模数转换电路、FPGA等模块[2-4].考虑到系统的通道数以及维护的便利性，在设计过程中，每4个模拟通道使用单独的子卡完成传感信息的采集，共8块子卡连接在系统木板(FPGA)上.同时，保证该采集系统精度的核心在于低噪声电源以及模数转换电路的设计上.多通道数据采集卡的整体结构如图1所示.

图1 多通道数据采集卡框图

2 低噪声电源模块

图2 电源的总体设计

在高精度的信号采集系统中，电源是很重要的一个模块，不仅要考虑到功耗和散热，最重要的要考虑到纹波[5-8]和噪声的影响.对于该系统，电源的设计和处理要求提供的电源的噪声尽可能低.电源的总体设计如图2所示.

2.1 模拟电源部分

在图1中，ADS1256工作时需要提供精准的基准电压，我们选用的是ADI公司的极低噪声电压基准源ADR431B，该电压基准源需要5 V的模拟供电电压.在电源设计中，一次电源选用具有过载保护功能的明纬S-100-12 型的开关电源，提供12 V/8.5 A的输出，纹波是100 mV (p-p).12 V电压通过LTM8033变换为6.5 V电压，LTM8033是极低噪声的DC/DC变换模块，为了进一步提高电源的精度，采用LRC滤波对噪声进行滤波[7]，具体电路如图3所示.

图3 LTM8033 LRC滤波电路

纹波是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，指定在输出电压、电流的情况下，输出电压中的交流电压峰值[8].对电源纹波的抑制是提高电源精确度的一种方法，电源纹波抑制比的公式为

PSRR=20lg[(Ripple(in)/Ripple(out))]，

(1)

其中PSRR表示电源纹波抑制比，Ripple(in) / Ripple(out)表示纹波抑制的倍数.

LT3081具有很好的噪声抑制能力，其纹波抑制比达90 dB(120 Hz时)，利用(1)式得出该电源模块可以将纹波抑制10 000～100 000倍.具体的电路如图4所示.

图4 LT3081 LRC滤波电路

2.2 数字电源部分

12 V电压通过LTM4612变换为数字6.5 V，LTM4612具有内置输入滤波器和噪声抵消电路，能有效降低噪声，当输入纹波为100 mV(p-p)时，根据LTM4612的电气性能，输出纹波可控制在20 mV(p-p)内.5 V再经过线性稳压器LT1084将电压变换为数字5 V，其纹波抑制比达75 dB(120 Hz时)，利用(1)式得出该电源模块可以将纹波抑制1 000～10 000倍，5 V电压再经过2个双路的DC/DC稳压模块LTM4616变换输出3.3，2.5，1.8，1.2 V电压，提供给FPGA芯片、MSP430处理器及外围电路使用.

3 模数转换电路

3.1 传感器信号滤波

考虑到被测对象为直流电压差分信号，且对噪声要求严格，采用无源RC低通滤波(截止频率约10 Hz)方式对传感器输出的差分信号进行处理，此时仅有电子元件的热噪声，而没有有源滤波中放大器产生的额外噪声，但RC电路因使用阻性元件，会带来一定压降，当后端ADS1256设置为buffer on方式时，其输入阻抗为80 MΩ，此时RC滤波带来的压降可以忽略不计，当后端ADS1256设置为buffer off时，其输入阻抗为150 kΩ，此时RC滤波带来的压降必须考虑，通过每个通道的软件标定可以解决此问题.

3.2 数模转换器ADS1256

数据采集电路中，模数转换芯片的基本性能决定了数据采集精度的上限.对于分辨率要求较高但速度要求不是很高，可以利用Σ-Δ转换器对模拟输入进行采样[4]，本文选择TI公司生产的低噪声高分辨率24位Σ-Δ模数转换器，其主要的技术指标：(1)支持差分输入，模拟电压输入范围为-5～+5 V(PGA为1时)，覆盖加速度传感器的输出电压范围为0.5～4 V;(2)非线性误差，PGA=1时，积分非线性度INL典型值为±0.000 3%(FSR)，最大值为±0.001%(FSR)；(3)线性误差，PGA=1时，增益误差为±0.005%，失调误差为噪声级别，该部分的误差通过软件校准可以大大降低.

3.3 电压基准源ADR431B

ADS1256工作时需要提供精准的基准电压，基准电压的误差对AD转换输出有重要影响，本文选用ADI公司的极低噪声电压基准源ADR431B提供2.5 V的电压.ADR431B为ADS1256提供基准电压电路如图5所示.

ADR431B的主要技术指标：电流输出/输入为+30 mA/-20 mA；2.5 V输出时，极低噪声(0.1～10 Hz)为3.5 μV (p-p)；输出电压准确度为±1 mV，该部分通过标定可以修正.

图5 ADS1256基准电压电路

4 系统噪声综合分析

4.1 需求分析

假设传感器的量程为-a～ag，对应的输出电压为Vb～Vc，则可以得出0g的电压公式为

(2)

同时也可以求出1g的电压公式为

(3)

由(1)和(2)式可以得出电压的测试范围为

(V0-V1)～(V0+V1).

(4)

则加速度传感器的测试电压的量程为

Vrange=(V0+V1)-(V0-V1).

(5)

无噪声分辨率的公式为

fnn=log2(Vf/Vvpp).

(6)

其中:Vf表示满幅输入电压范围，Vvpp表示峰-峰值噪声(即测试的电压量程Vrange)，fnn表示无噪声分辨率.

加速度传感器的量程为±30g，输出电压为0.5～4 V时，由(1)—(4)式可以分别求得：

0g的电压为V0=2.25 V；

1g的电压为V1=0.058 3 V；

则测试电压的量程Vrange= 0.116 V.

系统要求测试精度≤0.001g时所对应的峰-峰值噪声为Vvpp-0.001g=Vrange/1 000 =116 μV.

将Vvpp-0.001g带入(5)式可以求得(满幅输入电压为10 V)所要求的最低无噪声分辨率为fnn≈16位.

4.2 数模转换器 ADS1256综合分析

数模转换器的非线性误差参数很关键，按典型值±0.000 3% FSR计算，满量程(-5～+5 V)在误差0.000 3%为30 μV，实际上，该指标为所有采样率(2.5～3×104次/s)情况下得到的，Σ-ΔADC的优势在于降低采样频率时，采样精度得到提升，ADS1256在采样率为3×104次/s时无噪声分辨率为17.1位，而采样率2.5次/s时的无噪声分辨率高达23位，可以预期通过合理设计实现19～20位的实际无噪声分辨率，符合本文的需求.

4.3 数模转换器电源噪声分析

模拟电源经过DC/DC模块LTM4612和极低噪声LDO模块LT3083两级变换，将纹波抑制10 000～100 000倍，此时可以将纹波抑制到1～10 μV.相对满量程电压来说，利用(5)式可以算出模拟电源的无噪声分辨率为18～21位，符合本文的要求.

ADS1256的参考电压的精度是由电压基准源ADR431B决定的，ADR431B的噪声为3.5 μV(p-p)，则数据采样的最大噪声为7 μV(p-p)，利用公式(5)算出该基准电源的无噪声分辨率可达19位，符合要求.

5 小结

在设计过程中，虽然考虑了噪声纹波等对系统的影响，其实在实际设计中还会遇到很多其他因素的干扰，比如温漂等.用软件来标定和修正虽然会提高精度，但是误差还是不可忽视的，我们对此将继续进行研究.

[1] 黄智刚，柳重堪，姚彤. 多路并行高精度数据采集系统的两种实现方法[J].数据采集与处理，1999，14(2):225-229.

[2] 李红刚，杨林楠，张丽莲，等. 基于FPGA的高速多通道数据采集系统的设计[J]. 计算机测量与控制，2006，14(10)：1407-1409.

[3] 马晓荣，吴银川. 一种多通道数据采集系统的设计[J]. 电子设计工程，2012，20(19)：14-16.

[4] 张平，周日峰. 基于PCI总线的高速多通道数据采集与存储[J]. 重庆大学学报，2006，29(3)：87-91.

[5] 吴凌云，李瑞正. 关于开关电源纹波抑制的技术要点及措施[J]. 学术论坛，2011(12)：205-206.

[6] 姚小平. 电源纹波的产生、测量与抑制[J].电源世界，2009(11)：40-43.

[7] 方宇杰，苏秉华，杭凌侠. 开关电源纹波抑制研究[J]. 现代电子技术，2012，35(10)：136-138.

[8] TOM HENDRICK. 使用Σ-Δ转换器进行同步采样[J]. 电子产品世界，2006(17)：154-155.

(责任编辑：石绍庆)

A design of multi-channel date acquisition card based on FPGA

ZHANG Yan1，WU Chun1，ZHAO Zhi-kun2

(1.School of National Defence Science and Technology，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China；2.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China)

The multi-channel data acquisition card amplifies the signal from the sensor，and then convert analog signals to digital signals through the A/D and collected by FPGA chip，which shown and processed on computer. The card collect data on 32 digital channels and 32 analog channels，and introduce the A/D analog channel part in detail.

data acquisition card；A/D；analog channel

1000-1832(2016)04-0063-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.04.014

2015-11-08

国家自然科学基金资助项目(61379005)；国防科工局技术基础科研项目(JSHS2014404B002)；中国兵器工业集团项目.

张岩(1992—),男，硕士研究生，主要从事控制科学与工程研究；通信作者：伍春(1978—)，男，博士，副教授，主要从事无线电、网络化测控技术等研究.

TP311 [学科代码] 520·40

A