高精度多路模擬量采集電路設計與實現(xiàn)

裴靜靜　李孟華

（中航工業(yè)西安航空計算技術研究所　西安　710065）

1　引言

隨著導彈技術的迅速發(fā)展，導彈具備的功能日趨復雜，彈載計算機作為現(xiàn)代導彈制導與控制系統(tǒng)的核心部件，常常需要對多路不同連續(xù)變化的信號進行采集、傳輸、儲存與處理，迅速響應環(huán)境變化，其采集精度及處理速度直接影響到導彈殺傷目標的精確度，因此對其測量精度、采集速度、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和遠程通信質量的要求也越來越高。

目前，在數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)中，多路信號采集［6］大多采用集成多路模擬開關，其可靠性、電氣特性以及實際使用性能的優(yōu)劣直接影響采集系統(tǒng)的可靠性與精確度。模擬量采集主要采用AD轉換技術［7］，但是由于AD芯片增益誤差、偏移誤差及外部電路干擾噪聲等因素的影響，AD轉換精度往往不能滿足系統(tǒng)的要求。如何選擇及正確使用性能較好的多路開關以減少采集電路對AD采集精度的影響以及采取一定措施對AD采集的結果進行修正成為目前關注的重點。

本文針對彈上模擬量信號復雜多變，而導彈對彈載計算機模擬量采集速度及精度要求較高的狀況，提出一種基于AD采集芯片AD976A及FPGA［10］的多路模擬量快速采集處理電路。該電路可通過軟件算法對AD采集結果進行修正，提高AD采集精度，通過FPGA控制多路模擬轉換器實現(xiàn)多路模擬信號自動循環(huán)采集，并采用分區(qū)操作系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理，實現(xiàn)了彈上多路信號的精確監(jiān)測與控制。

2　采集電路的組成及工作原理

本文設計的模擬量采集電路可實現(xiàn)彈上電壓、溫度及舵機位置反饋等信號的快速采集和處理，主要由信號調理電路、多路轉換電路、信號隔離濾波電路、A/D轉換電路及采集處理電路組成。多路模擬量采集框圖如圖1所示。

圖1　高精度多路模擬量快速采集處理電路框圖

信號調理電路主要用于實現(xiàn)輸入信號幅值調理，調理后信號電壓范圍為-10V～+10V；多路轉換電路用于多路模擬信號的選擇性輸入，在某一時刻僅對其中一路模擬信號進行采樣處理；信號隔離濾波電路實現(xiàn)對AD輸入前端信號進行隔離及低通濾波，提高模擬信號隔離度并有效地抑制尖峰脈沖及部分噪聲的干擾［9］；A/D轉換電路［4］用于實現(xiàn)16位模數(shù)轉換；采集處理電路用于對AD轉換后的結果進行采集，采集的結果放入緩沖器中供Power PC處理器［8］進行讀取及處理。

3　采集電路設計與實現(xiàn)

3.1　信號調理電路的設計

集成運算放大器［5］是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡，可實現(xiàn)不同用途的電路，例如信號放大、信號運算、信號濾波調制以及波形的產(chǎn)生和變換等。

本文使用的AD采集芯片允許輸入信號范圍是-10V～+10V，實際應用中采集的信號往往不在這個范圍內(nèi)，因此需要對輸入信號進行適應的放大或縮小，本文選用LM148J四運算放大器實現(xiàn)輸入信號的調理。由運放構成的同相比例放大電路如圖2所示，其中R1和C1構成RC濾波電路，實現(xiàn)對輸入信號的低通濾波，R2、R3構成了反饋回路，根據(jù)運放虛短路和虛斷路的特點可得VO=(1+V。實際應用中可根據(jù)信號線路中的噪聲范IN圍選擇R1、C1的值，根據(jù)信號幅值特性選擇R2，R3的阻值。

圖2　比例放大電路

3.2　多路選擇電路

本文采用ADI公司的16選1模擬多路選擇器ADG506A［3］實現(xiàn)多路模擬信號的選擇，并通過FPGA控制多路模擬轉換開關，實現(xiàn)彈上電源信號、溫度傳感器信號、舵機位置反饋信號等多路模擬信號自動循環(huán)采集。ADG506A工作電壓范圍為10.8V～16.5V，綜合考慮系統(tǒng)的供電條件與多路開關自身的電氣特性，本文采用雙端±15V供電，降低了轉換開關導通電阻對信號傳輸精度的影響，并提高了開關的轉換速度。

3.3　隔離濾波電路

采用運放及電阻電容構成跟隨器及RC濾波網(wǎng)絡，對AD輸入前端信號進行隔離及低通濾波，運放的特點是輸入阻抗無窮大，輸出阻抗為零，相當于對前端電路開路，對后端電路是一個恒壓源，這樣既避免了對前端模擬量的影響，又可以起到隔離作用，提高了AD采集通道信噪比。

隔離濾波電路如圖3所示，其中R1和C1構成RC濾波電路，實現(xiàn)對輸入信號的濾波，實際應用中可根據(jù)信號線路中的噪聲范圍選擇R1、C1的值。

圖3　隔離濾波電路

3.4　A/D轉換及采集處理電路

采用 AD976A［2］實現(xiàn)模擬量信號采集，AD976A是美國AD公司推出的一款16位A/D轉換芯片，帶有高速并行接口，最高轉換速率200k/s，其具有低功耗、高精度等特點。

AD976A內(nèi)部集成溫度補償?shù)碾妷簠⒖?，精度?.5V±20mv，AD輸入全范圍為±4REF，正常電壓輸入范圍為±10V。設計采用內(nèi)部參考，外圍電路設計如圖5所示。

FPGA控制A/D轉換器開始進行轉換，并在轉換完成后，將數(shù)據(jù)從A/D轉換器中讀出放入緩沖器中供CPU處理，CPU讀取采集結果后根據(jù)相應的算法將結果轉換成電壓值供上層應用使用。本設計處理器上運行國產(chǎn)天脈2嵌入式分區(qū)操作系統(tǒng)，提高了AD數(shù)據(jù)傳輸和處理的速率及可靠性。

圖5　AD976A外圍電路設計

4　模擬量采集校正算法

A/D芯片作為模擬量采集的核心部件，其內(nèi)部ADC容易受到參考源的影響，當采用內(nèi)部參考源時，可通過軟件進行校正［1］，提高AD采集精度。

理想情況下ADC傳遞函數(shù)如圖6中L1所示，實際上由于增益誤差和偏移誤差的影響，ADC傳遞函數(shù)如圖6中L2所示。

則實際增益K可通過式（1）計算：

式中V1和V2為兩次實際輸入值，D1和D2為兩次轉換輸出結果。

校正后的結果Dad可以通過式（2）計算：

式中Dad為軟件校正后的轉換結果，Dr為實際轉換結果，D0為實際偏移，即輸入為0時的偏移量。

式（1）中增益K，可以通過多組輸入值計算取平均的方式提高增益K的精度。如：ADC分別輸入V1、V2、V3、V4、V5，輸出分別為 D1、D2、D3、D4、D5，兩兩組合分別計算K值，最后多組結果取均值。

圖6　ADC傳遞特性

5　測試結果

使用穩(wěn)定電壓信號源輸出-10V～10V電壓，按照本文提出硬件電路進行AD采集，記錄AD采集結果，相同輸入電壓情況下使用校正算法對采集結果進行校正，校正前及校正后的結果如表1所示。從表1記錄記過可以看出，未使用軟件校正前采集誤差最大可達到25mV，采用校正算法后的最大誤差為5mV，大大提高了AD采集精度。

表1　采用硬件校正結果比較

6　結語

本文以AD976A為AD轉換芯片，搭配FPGA和PowerPC處理器設計了一種的多路模擬信號采集及處理電路，該電路AD轉換及處理時間短、一致性及穩(wěn)定性高。采集結果可通過軟件進行修正，大大提高了AD采集精度，能夠實現(xiàn)彈上多路模擬信號的實時準確監(jiān)測與控制。

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