依附于FPGA自動量程轉換功能的信號采集電路開發

宋會良 李京華 李永飛

摘 要 伴隨被測信號動態范圍的增加，測量設備一定要具有一定的自動量程能力，所以本人提出了一種具備自動量程功能的信號采集電路設計模式。依附于逐次對比的理念，此電路通過模擬電路，對信號予以辨識，在此基礎上經現場可編程邏輯門陣列（FPGA）控制繼電器切換至所需的量程，因此達到自動量程功能所需的功能。通過一系列的測試，此電路可以對信號予以精準的量程辨識，從根本確保了測量的有效性。

【關鍵詞】可編程邏輯門陣列 自動量程 轉換功能 信號采集 電路

在被測電壓信號區間從幾伏變為幾百伏的狀態下，為有效確保測量精準性，一定要依附于信號幅值擇取相適應的量程，所以測試裝置的量程切換問題也隨之凸顯。常規設備大多為人工換檔，因此具有工作量大、無法確保換擋同步性的問題。所以，開發具有量程自動切換功能的信號采集電路，對實際測試工作有著深遠的意義。文章將以依附于現場可編程邏輯門陣列自動量程轉換功能的信號采集電路開發作為切入點，在此基礎上予以深入的探究，相關內容如下所述。

1 信號采集電路系統構成

眾所周知，信號的幅值改變區間較大，所以要依附于相應的比例予以衰減，完成衰減的信號要通過濾波后傳輸至單儀器模數轉換器，在此基礎上通過現場可編程邏輯門陣列控制單儀器模數轉換器完成信號采集。同時輸入至量程辨識電路，進而獲取有效的量程指示信號，再通過現場可編程邏輯門陣列檢測到此信號，控制繼電器通斷，因此達到量程自動切換的目的。

通過上述分析我們可以總結出，此信號采集電路設計的側重點即為下述幾方面：

（1）設計有針對性的量程辨識電路與現場可編程邏輯門陣列控制程序關；

（2）擇取有效的電壓衰減電路；

（3）選用配套的單儀器模數轉換器；

（4）依附于信號的改變區間擇取相適應的切換開。

2 針對硬件電路的設計

信號調理電路中包括：

（1）電壓跟隨電路；

（2）信號衰減電路；

（3）濾波電路。

為有效避免采集電路自身對信號所產生的衰減造成測量精度降低，在擇取電路過程中，一定要選擇高輸入阻抗的電路。此次研究采集電路分壓電阻網絡通過900k歐姆、9M歐姆、10k歐姆以及90k歐姆，精度為千分之一的電阻串聯而成，輸入阻抗超過10M歐姆。

此分壓電阻網絡對信號予以全面衰減。完成衰減后的信號通過濾波后傳輸。切換開關我們擇取歐姆龍的G3VM-601BY-EY光控繼電器，隔離電壓為五千伏，響應速率為一毫秒。

為避免信號從低向高跳變瞬間開關無法第一時間動作而導致后級電路受損，此設計擇取穩壓二極管電路予以雙向穩壓，進而全面確保運算放大器輸入的安全性。信號調理電路示意見圖1。

常規萬用表的測量電路通常擇取平均參數或有效參數電路予以交流/直流轉換，采集信號的均值或交流有效參數，進而作為量程評定的基礎，電路便捷，且可以有效節約成本。這種評定對不失真的正弦信號具有優異的辨識能力，不過在輸入方波與三角波等非正弦信號，或正弦信號出現畸變及失真的狀態下，其效果不顯著。

信號的有效參數雖然為同步量程，不過其幅度的最大參數已經超過當前量程極值，所以會存在誤判的問題，進而造成量程開關無法正確動作，因此影響測量的精準度。為了避免上述問題，我們采集電路選擇可被測信號幅值的絕對參數作為量程評定指標。在輸入信號從低變高的狀態下，電路跟隨其峰值的改變，第一時間切換到相應的量程區間，不過在信號減小的狀態下，電路會把其峰值制衡于一定時間，這樣能夠防止因為開關反復動作而導致錯誤測量。量程評定電路構成包括：

（1）峰值保持電路；

（2）絕對值電路；

（3）電壓比較電路。

此次研究擇取ADS8323 作為采集電路的單儀器模數轉換器。

3 控制程序的設計

采集電路數字控制通過量程選擇開關控制、量程信號辨識以及單儀器模數轉換驅動控制所構成。

量程指示信號通過兩路對比器輸出。兩瓦電壓即為現階段量程極值，0.2瓦電壓即為現階段量程下限。現場可編程邏輯門陣列經檢測此編碼予以量程檔位辨識。

此系統測量的有效參數為零至三百伏、直流偏置為負四十伏至四十伏的交流信號。要確保足夠的裕量，設計最大量程為五百Vp。單儀器模數轉換測量信號區間設為 -2.5瓦～+2.5 瓦，要確保足夠的裕量，設計實際轉換電壓區間為-2瓦～+2 瓦，所以量程檔位分為0瓦～2瓦、2瓦～20瓦、20瓦～200瓦、200瓦～500瓦。現場可編程邏輯門陣列控制引腳輸出為“1”的狀態下，繼電器導通，輸出為“0”的狀態下，繼電器斷開。

單儀器模數轉換控制，現場信號為五十赫茲的交流信號，在工程上通常擇取使倍以上采樣率對信號予以采樣。此采集系統擇取五千赫采樣頻率。晶振產生十兆赫通過兩千分頻產生五千赫的采樣階段性信號。在各采樣階段中，開啟單儀器模數轉換對被測信號予以轉換，完成轉換后錄入采樣參數，完成讀數后進入等待采樣狀態。

在各采樣階段，要先把信號代碼段寄存器置低，在此基礎上把啟動采樣信號置低，啟動單儀器模數轉換器，進入轉換狀態。在此基礎上占線信號開始從低變高，即為單儀器模數轉換處于忙碌狀態。同時將信號代碼段寄存器信號置高。

在第十七個時鐘脈沖的上升，占線信號在不超過二十五納秒的時間內從高變低，結束轉換過程。在現場可編程門陣列檢測到占線下降沿信號的時候，進入讀數準備狀態。在此基礎上將片選信號代碼段寄存器重新置低，同時把遠程服務信號置低，經四十納秒以上的時間，單儀器模數轉換輸出數據穩定，現場可編程門陣列經十六位數據線讀入參數。完成讀數后，把遠程服務信號置高，這樣就完成了一次采樣與讀數。

4 依附于現場可編程邏輯門陣列自動量程轉換功能的信號采集電路測試效果

測試效果見圖2。

圖2x軸即單儀器模數轉換測得參數，y軸即五位半萬用表測得參數，同時以此作為指標參數。我們可以發現，此擬合曲線基本分成兩段，兩段線性度優異，方程在圖中有所表述。把測得參數代入直線方程，能夠對參數予以修正，進而降低顯示誤差。對此曲線予以更全面的分段線性化處理，能夠從根本深化測量的精確性。

5 總結

綜上所述，信號采集過程中，信號的幅值改變區間較大，所以要依附于相應的比例予以衰減，完成衰減的信號要通過濾波后傳輸至單儀器模數轉換器，在此基礎上通過現場可編程邏輯門陣列控制單儀器模數轉換器完成信號采集。再通過現場可編程邏輯門陣列檢測到此信號，控制繼電器通斷，因此達到量程自動切換的目的。此次研究信號采集電路設計的側重點包括下述幾方面，設計有針對性的量程辨識電路與現場可編程邏輯門陣列控制程序關、擇取有效的電壓衰減電路、選用配套的單儀器模數轉換器、依附于信號的改變區間擇取相適應的切換開。通過實際測試，沒有發現量程開關誤動作的問題。采集電路數字控制通過量程選擇開關控制、量程信號辨識以及單儀器模數轉換驅動控制所構成。量程指示信號通過兩路對比器輸出。兩瓦電壓即為現階段量程極值，0.2瓦電壓即為現階段量程下限。現場可編程邏輯門陣列經檢測此編碼予以量程檔位辨識。對無人監守的環境，擇取此類采集電路能夠自動對信號予以辨別，從根本確保了信號測試的同步性及精準度，而且也大幅度的節省了成本，深化測試人員的工作有效性。同時，現場可編程邏輯門陣列經通信接口電路能夠和主控設備予以參數傳輸，因此加強波形顯示及參數存儲水平。

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作者單位

凱邁（洛陽）測控有限公司 河南省洛陽市 471009