基于可編程器件的通信檢測(cè)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

吳志抄，譚業(yè)雙，李召瑞，孫慧賢

（軍械工程學(xué)院 信息工程系，河北 石家莊 050003）

0 引言

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為提高對(duì)通信檢測(cè)設(shè)備的靈活性和升級(jí)性，本文借鑒虛擬儀器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)某型基層級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行快速檢測(cè)[1]。使用通用計(jì)算機(jī)和多功能檢測(cè)接口構(gòu)建硬件平臺(tái)，檢測(cè)接口用于接收計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字激勵(lì)信號(hào)和將采集到的通信設(shè)備響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)。由于通信設(shè)備接口信號(hào)的多樣性，檢測(cè)接口應(yīng)當(dāng)具有重構(gòu)能力，能夠在不改變硬件結(jié)構(gòu)的前提下通過(guò)軟件重新配置，適應(yīng)對(duì)多種信號(hào)的檢測(cè)需求。

檢測(cè)接口電路從功能上可以劃分為激勵(lì)生成通道和數(shù)據(jù)采集通道，分別使用DAC和ADC及相應(yīng)的輔助電路完成數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。FPGA是檢測(cè)接口電路的信息傳輸與控制單元，向上提供與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)和控制接口，向下提供與ADC和DAC的數(shù)字信號(hào)通信接口，能夠完成對(duì)采集信號(hào)的預(yù)處理，并用于整個(gè)接口電路的控制。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

檢測(cè)接口結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其激勵(lì)通道由FPGA、DAC、濾波放大電路組成，用于將上位機(jī)發(fā)送的數(shù)字激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與通信設(shè)備信號(hào)物理特性一致的模擬信號(hào)。數(shù)據(jù)采集通道由信號(hào)調(diào)理電路、ADC和FPGA組成，用于將采集得到的設(shè)備響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理?；旌想娐泛妥儔浩髦饕糜趯?shí)現(xiàn)二線平衡雙工傳輸功能，并提供對(duì)外二線接口。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)上，檢測(cè)接口可以分為DAC單元、濾波放大單元、二線接口單元、混合單元、信號(hào)調(diào)理單元、ADC單元和FPGA系統(tǒng)單元。

2.1 DAC與濾波放大單元

DAC與濾波放大單元用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并完成對(duì)信號(hào)的調(diào)理、幅度調(diào)節(jié)與功率放大功能。其硬件電路如圖2所示。

圖2 DAC與濾波放大單元硬件電路

該單元由3部分電路組成，分別是DAC芯片電路、無(wú)源濾波電路和差分放大電路。

DAC芯片為ADI公司生產(chǎn)的高性能、低功耗CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 AD9762，AD9762為 12位分辨率，支持最高125 MS/s的更新速率。該芯片使用5 V、3.3 V可選單電源供電，最高功耗175 mW，2 mA～20 mA差分電流輸出，負(fù)載 RLOAD為 100Ω時(shí)輸出電壓范圍為 0.2 V～2 V[2]。FS ADJ引腳連接外接電阻RSET，用于滿量程電流輸出調(diào)節(jié)。REFIO引腳用于基準(zhǔn)電壓VRFE輸入/輸出，選擇內(nèi)部1.2 V基準(zhǔn)電源時(shí)通過(guò)一個(gè)0.1μF電容與模擬地連接。其差分輸出電壓VDOUT與輸入的12位數(shù)字代碼（DCODE）的關(guān)系式為：

無(wú)源濾波電路由電感與電容組成截止頻率為20 MHz的7階巴特沃斯低通濾波器，用于信號(hào)整形和消除毛刺干擾。

差分放大電路以全差分放大器AD8476為核心組成，用于將通過(guò)無(wú)源濾波電路的模擬差分信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)和功率放大。AD8476是一款功耗極低的全差分精密放大器，其帶寬為6 MHz，使用±5 V電源供電時(shí)的輸出電壓范圍為-4.845 V～4.82 V[3]。檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)的峰峰值為4.3 V和6.2 V，而DAC的輸出峰峰值電壓為2 V，因而差分放大電路的增益應(yīng)當(dāng)大于3.1，這樣才能使得激勵(lì)生成通道的輸出信號(hào)幅值符合檢測(cè)需求?？紤]到DAC的轉(zhuǎn)換效率和可能存在的誤差，可設(shè)計(jì)差分放大電路具有兩個(gè)略大于滿幅度輸出的增益值。

圖 2中使用外部擴(kuò)展電阻 R1～R6組成反饋電阻網(wǎng)絡(luò)， 其中 R1=R2=10 kΩ 為輸入電阻，R3=R6=24 kΩ、R4=R5=33 kΩ為兩組反饋電阻。該電路的增益值分別為A1=R3/R1=2.4，A2=R4/R1=3.3。為了提高檢測(cè)接口的自動(dòng)化程度，使用1個(gè) 2路 2：1電子開關(guān)ADG736用于兩組反饋電阻的切換，通過(guò)改變其控制端IN1和IN2的電平邏輯，完成開關(guān)動(dòng)作。ADG736使用5 V供電時(shí)，導(dǎo)通電阻RON為 2.5Ω，帶寬大于 200 MHz，通過(guò)峰值電壓為5 V。

2.2 二線接口與混合電路單元

二線接口與混合電路單元用于為信號(hào)激勵(lì)與數(shù)據(jù)采集提供對(duì)外二線接口和實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)的雙工傳輸。其硬件電路如圖3所示。

圖3 二線接口與混合電路單元硬件電路

二線接口電路由電壓比為1的變壓器以及電阻RS1、RS2和電容 C9、C10組成，用于提供檢測(cè)電路對(duì)外的二線接口，實(shí)現(xiàn)接收與發(fā)送信號(hào)的傳輸，同時(shí)可以隔離外部直流信號(hào)。RS1、RS2用于與線路負(fù)載阻抗匹配并隔離遠(yuǎn)端反射和提供線路的能量交換，電容C9、C10用于配合組成激勵(lì)發(fā)送端擴(kuò)展濾波電路。

混合單元的功能是一階模擬回波抵消，用于抵消本地發(fā)送信號(hào)。圖 2中R7～R10為輸入電阻，同時(shí)與 C3～C8組成一階低通濾波器。兩個(gè)儀表放大器AD8429用于將二線平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。AD8429為低噪聲、高精度儀表放大器，其增益為1時(shí)增益精度為0.02%、CMRR為80 dB、帶寬為15 MHz，使用±12 V電源供電時(shí)其輸出電壓范圍為-10.1 V～10.7 V，使用單個(gè)增益控制電阻RG能夠控制其增益范圍為1～1 000，其增益控制關(guān)系為G=1+6 kΩ/RG[4]。

LT6600-10將一個(gè)全差分放大器與一個(gè)近似切比雪夫(Chebyshev)頻率響應(yīng)的四階10 MHz低通濾波器集成在一起。芯片為低噪聲全差分輸入/輸出放大器，內(nèi)部集成兩個(gè)運(yùn)算放大器、電阻電容網(wǎng)絡(luò)，組成1倍增益放大電路和一個(gè)10 MHz低通濾波器，使用±5 V電源供電時(shí)其輸出電壓范圍可達(dá)到±5 V[5]。

在圖 3中，U1為激勵(lì)單元輸出差分信號(hào)，U3為設(shè)備響應(yīng)信號(hào)，RL為線路負(fù)載，假設(shè)通過(guò)變壓器初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的電流分別為i1和i2，則有：

式中，RS=RS1+RS2。同時(shí)有：

則由式(2)和式(3)可得：

在電路中，第一個(gè)AD8429電路和LT600-10電路的增益值均為1，則通過(guò)調(diào)節(jié)第二個(gè)AD8429的增益值，使其增益值G3=(RS+RL)/RL時(shí)，混合單元的輸出差分信號(hào)U′3=U3×RS/RL。這樣就達(dá)到消除近端發(fā)送信號(hào)的目的。

若線路電阻RS與負(fù)載電阻RL完全匹配，則第二個(gè)AD8429的增益值為2時(shí)，混合電路的輸出U′3=U3?？紤]到阻抗失配現(xiàn)象的普遍存在，因此選擇電位器作為第二個(gè)AD8429的增益控制電阻，在線路阻抗失配的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)增益控制電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)混合單元消除近端信號(hào)的目的。根據(jù)前文所述，可以得到混合電路輸出信號(hào)U′3與二線輸入信號(hào)U3比值跟增益控制電阻RG之間的關(guān)系式：

因此只要知道RG的值，就能夠通過(guò)式(5)準(zhǔn)確地對(duì)通過(guò)混合單元造成的輸入信號(hào)幅值的線性誤差進(jìn)行修正。為了提高檢測(cè)接口的自動(dòng)化程度和實(shí)現(xiàn)對(duì)RG值的實(shí)時(shí)感知，選擇數(shù)字電位計(jì)AD5272作為第二個(gè)AD8429的增益控制電阻。AD5272為1 024位分辨率、1%電阻容差誤差、I2C接口和50-TP存儲(chǔ)器數(shù)字變阻器，最大阻值為20 kΩ，可使用 5 V電源供電[6]，其阻值調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為1.95Ω。

2.3 信號(hào)調(diào)理與ADC單元

信號(hào)調(diào)理與ADC單元用于將混合電路輸出的模擬差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸入信號(hào)并輸入到FPGA，該部分為數(shù)據(jù)采集的核心單元，其硬件電路如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理與ADC單元硬件電路

由于被測(cè)信號(hào)的最高頻率不超過(guò)2.048 MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，使用4.096 MHz采樣速率進(jìn)行采樣就能得到信號(hào)完整的信息，但是在工程中，通常使用5～10倍速率進(jìn)行采樣。因此ADC選擇12位、10 MS/s采樣速率模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220，其為+5 V單電源供電，70 dB信噪比，86 dB無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍，內(nèi)置片內(nèi)高性能、低噪聲采樣保持放大器和可編程基準(zhǔn)電壓源，并具有滿量程輸出指示功能[7]。使用1 V基準(zhǔn)電壓時(shí)其輸入范圍為2 V(峰-峰值)。

信號(hào)調(diào)理電路應(yīng)當(dāng)具有抗混疊濾波和信號(hào)幅度調(diào)節(jié)的功能。該電路選擇全差分放大器AD8476組成，考慮到檢測(cè)時(shí)輸入信號(hào)的幅值大于ADC的輸入范圍，因而選擇其輸入電阻為10 kΩ，選擇數(shù)字電位器AD5272為反饋電阻RF，則其增益值G4=RF/10 kΩ，電路的增益值為0.000 2～2可調(diào)。放大器輸出經(jīng)過(guò)2個(gè)100Ω電阻和2個(gè)電容組成的低通濾波器后送至ADC。同時(shí)，AD8476以ADC的基準(zhǔn)電壓VREF為共模參考電壓。

基于上述內(nèi)容，則可得數(shù)據(jù)采集通道ADC的輸入信號(hào)VIN與二線接口輸入檢測(cè)信號(hào)U3之間的關(guān)系為：

式中，RF為信號(hào)調(diào)理電路數(shù)字電位器AD5272的阻值，RG為混合電路數(shù)字電位器AD5272的阻值。

2.4 FPGA單元

FPGA單元以Xilinx公司的FPGA芯片XC3S400為核心電路組成，其程序存儲(chǔ)芯片為XCF02S，使用40 MHz有源晶振，5 V電源供電，使用穩(wěn)壓芯片提供電路所需的3.3 V、2.5 V和1.2 V電源。USB接口作為微處理器常用的外部總線接口，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[8]，因此考慮選用USB2.0接口作為FPGA與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)接口。同時(shí)采用JTAG接口用于FPGA和其配置芯片的程序燒寫。關(guān)于FPGA電路的設(shè)計(jì)、開發(fā)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，本設(shè)計(jì)相比與其他通用FPGA電路的設(shè)計(jì)并無(wú)獨(dú)特之處，因此不再對(duì)FPGA單元進(jìn)行詳細(xì)描述。

3 FPGA程序設(shè)計(jì)

在檢測(cè)接口電路的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA是檢測(cè)接口電路的信息傳輸與控制單元的核心，其可編程配置能力和能夠高速、并行處理數(shù)字信號(hào)的能力是檢測(cè)接口的靈活性和升級(jí)性的關(guān)鍵。其內(nèi)部程序使用 Xilinx公司的FPGA開發(fā)環(huán)境ISE進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成燒寫。程序設(shè)計(jì)使用模塊化設(shè)計(jì)思想，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，可以分USB傳輸、管理控制、DAC傳輸、輸出增益控制、混合單元控制、信號(hào)調(diào)理控制、ADC傳輸控制和增益補(bǔ)償8個(gè)模塊。下面就各個(gè)模塊的功能分別進(jìn)行介紹。

圖5 FPGA程序框圖

(1)USB傳輸模塊，用于通過(guò)FPGA單元上的USB接口電路實(shí)現(xiàn)FPGA芯片與上位機(jī)的信息傳輸，具有USB電路的配置功能，并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)USB信號(hào)封裝、解封裝功能，將接收到的上位機(jī)信號(hào)解封裝為透明數(shù)據(jù)傳送到管理控制模塊和DAC傳輸模塊，將管理控制模塊、增益補(bǔ)償模塊輸出信號(hào)封裝為標(biāo)準(zhǔn)USB信號(hào)通過(guò)USB接口電路傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

(2)管理控制模塊，是整個(gè)程序的主控單元。該模塊用于接收USB傳輸模塊輸出的控制信號(hào)，對(duì)其余的通信模塊進(jìn)行控制，并輸出檢測(cè)電路的工作狀態(tài)到USB傳輸模塊，最終傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。同時(shí)用于控制其余模塊的工作狀態(tài)，接收混合單元控制模塊、信號(hào)調(diào)理控制模塊、ADC傳輸模塊輸出的反饋信息進(jìn)行工作狀判斷，根據(jù)混合單元控制模塊、信號(hào)調(diào)理控制模塊反饋信息控制增益補(bǔ)償模塊的補(bǔ)償量。

(3)DAC傳輸模塊，在管理控制模塊的控制下工作，接收USB傳輸模塊輸出的激勵(lì)信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為DAC芯片的數(shù)據(jù)輸入信號(hào)，同時(shí)為DAC芯片提供轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。

(4)輸出增益控制模塊，用于在管理控制模塊輸出的控制信號(hào)下工作，根據(jù)需求通過(guò)兩路輸出信號(hào)IN1和IN2分別控制差分放大電路的2個(gè)電子開關(guān)ADG736。

(5)混合單元控制模塊，用于在管理控制模塊輸出的控制信號(hào)下工作，根據(jù)需求通過(guò)輸出I2C信號(hào)控制混合單元的數(shù)字電位計(jì)AD5272的阻值，完成信號(hào)混合功能，并將AD5272的阻值信息反饋給管理控制單元。

(6)信號(hào)調(diào)理控制模塊，用于在管理控制模塊輸出的控制信號(hào)下工作，根據(jù)需求通過(guò)輸出2路I2C信號(hào)控制信號(hào)調(diào)理電路的2個(gè)數(shù)字電位計(jì)AD5272的阻值，完成信號(hào)調(diào)理功能，并將2個(gè)AD5272的阻值信息反饋給管理控制單元。

(7)ADC傳輸模塊，在管理控制模塊的控制下工作，接收DAC芯片輸出的采樣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆鲆嫜a(bǔ)償模塊，同時(shí)為ADC芯片提供采樣時(shí)鐘。該模塊同時(shí)接收ADC輸出的滿量程指示信號(hào)和數(shù)據(jù)輸入指示信號(hào)，并傳送給管理控制模塊。

(8)增益補(bǔ)償模塊，用于接收來(lái)自ADC傳輸模塊的采樣數(shù)據(jù)和管理控制模塊輸出的增益補(bǔ)償信息，對(duì)ADC芯片采樣獲得的信號(hào)進(jìn)行增益補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的完整性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)檢測(cè)需求，選擇了以通用計(jì)算機(jī)和專用檢測(cè)接口結(jié)合的檢測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)描述了硬件檢測(cè)接口的電路設(shè)計(jì)和FPGA硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)。差分放大、二線接口、混合、信號(hào)調(diào)理等電路單元通過(guò)仿真，功能、性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)能夠?yàn)轭愃茩z測(cè)系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

[1]金偉，齊世清，王建國(guó).現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007：270-272.

[2]Analog Devices.12-bit，125 MSPS TxDAC?D/A converter AD9762 datasheet[EB/OL].[2014-05-14].http：//www.analog.com.

[3]Analog Devices.低功耗、單位增益、全差分放大器和 ADC驅(qū)動(dòng)器AD8476數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].[2014-05-14].http：//www.analog.com.

[4]Analog Devices.1nV/√Hz低噪聲儀表放大器 AD8429數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].[2014-05-14].http：//www.analog.com.

[5]Linear Technology.Very low noise，differential amplifier and 10 MHz low pass filter LT6600-10 datasheet[EB/OL].[2014-05-14].http：//www.linear.com.cn.

[6]Analog Devices.V024/256位、1%電阻容差誤差、I2C接口和50-TP存儲(chǔ)器數(shù)字變阻器AD5272數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].[2014-05-14].http：//www.analog.com.

[7]Analog Devices.Complete 12-bit 1.5/3.0/10.0 MSPS monolithic A/D converters AD9220 datasheet[EB/OL].[2014-05-14].http://www.analog.com.

[8]閆娜娜.基于USB接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2013(5)：35-37.