一種A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與應(yīng)用

呂小鳳，杜 丹，張萬玉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸裝駐石家莊地區(qū)第一軍代室，河北 石家莊 050081；3.陸軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071)

0 引言

模擬數(shù)據(jù)的采集與處理是信息技術(shù)的一個重要分支，廣泛應(yīng)用于地空信息傳輸系統(tǒng)中。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和對控制要求的不斷提高，地空信息系統(tǒng)對模數(shù)轉(zhuǎn)換速度和精度要求也在不斷提高[1]。A/D轉(zhuǎn)換芯片作為模擬量采集的核心部件，其內(nèi)部ADC容易受到輸入信號、電路布局以及芯片自身工藝的影響，使轉(zhuǎn)換結(jié)果無法滿足系統(tǒng)控制要求[2]。受硬件發(fā)展水平的限制，傳統(tǒng)的地空信息系統(tǒng)中，通常采用單片機對A/D轉(zhuǎn)換芯片進行控制的方式來完成模擬信號的采集和轉(zhuǎn)換，處理速度慢，外圍控制通過FPGA完成，硬件電路結(jié)構(gòu)繁雜，軟件設(shè)計中數(shù)據(jù)交互同時涉及到單片機和FPGA，可靠性不高。鑒于以上A/D轉(zhuǎn)換發(fā)展與應(yīng)用存在的兩大瓶頸：① A/D轉(zhuǎn)換器的速率和性能；② 可編程邏輯器件的處理速度[3]，本文利用MAXIM公司具有12位高精度的多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片和具有高速數(shù)據(jù)處理能力的ALTERA公司Stratix系列+5 V工作電壓的FPGA作為主控芯片實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換，不僅接口簡單、轉(zhuǎn)換速度快、精度高[4]，而且利用延時調(diào)整等技術(shù)解決了A/D轉(zhuǎn)換芯片與FPGA之間的高速數(shù)據(jù)傳輸問題。

1 A/D采集轉(zhuǎn)換控制電路的設(shè)計

1.1 方案設(shè)計

設(shè)計之初，考慮到應(yīng)用的可擴展性，要求可對多路模擬數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，常用的設(shè)計方法有2種：① 電路使用多片A/D轉(zhuǎn)換芯片，每片對一路模擬信號進行轉(zhuǎn)換，多片芯片同步工作；② 電路選用多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，通過軟件控制依次完成多路模擬信號的轉(zhuǎn)換。

顯然，方案1可滿足系統(tǒng)的實時性和同步性要求，但是針對目前的系統(tǒng)小型化需求，芯片使用數(shù)量多，占電路板空間大，而且外圍電路復(fù)雜[5]，大大增加了PCB設(shè)計難度。相較之下，方案2電路簡化，雖然對軟件控制的要求較高，但應(yīng)用上更加靈活[6]。

本設(shè)計使用的FPGA可編程器件選用ALTERA公司Stratix系列的EP1S20F484I6N，該芯片工作電壓為+5 V，A/D轉(zhuǎn)換器選用MAXIM公司的8通道12位高精度MAX197芯片，該芯片僅需+5 V供電，工作電壓與EP1S20F484I6N相匹配，二者硬件管腳可以直接相連，不需再使用電平轉(zhuǎn)換芯片，極大簡化了電路設(shè)計。

1.2 電路實現(xiàn)

本文設(shè)計重點是為完成A/D轉(zhuǎn)換的MAX197芯片外圍電路提供可靠接口，實現(xiàn)多通道的模擬數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換功能。硬件電路主要由模擬數(shù)據(jù)接收和控制轉(zhuǎn)換處理電路組成。

為了保證電路的轉(zhuǎn)換精度和可靠性，合理的電路及PCB設(shè)計非常重要[7]，尤其對于模數(shù)混合電路，如何減少模擬電路和數(shù)字電路之間的相互串?dāng)_，也是要精心考慮的問題[7-8]。

本設(shè)計在PCB優(yōu)化布局和走線的基礎(chǔ)上，將數(shù)字地和模擬地之間用0 Ω電阻連接，這樣可保證直流電位相等，能有效限制環(huán)路電流，抑制噪聲；否則，模擬信號將會受到干擾，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖1 A/D轉(zhuǎn)換控制處理電路

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用Verilog HDL語言利用FPGA編程，通過有限狀態(tài)機模式[13]，實現(xiàn)對MAX197運行模式的配置、模擬數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的控制。

程序流程如圖2所示。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換程序流程

在本系統(tǒng)實際應(yīng)用中，A/D轉(zhuǎn)換只是硬件電路板上FPGA所需完成功能的一部分且數(shù)據(jù)采集對時間無嚴(yán)格要求。因此，為了保證設(shè)計中所用時鐘的全局性[14-15]，MAX197選擇在外部時鐘模式下工作，信號獲取方式選用時序關(guān)系更為簡明的內(nèi)部自動采集模式，模擬信號量程選擇0～5 V，則寫入的8位控制字為{5’b0，chNum}，其中，chNum為模擬通道，數(shù)據(jù)位寬3 bit，有效范圍為3’b000～3’b111，用來表示當(dāng)前選定的模擬數(shù)據(jù)通道。

分步狀態(tài)執(zhí)行過程如下：

iSt0：初始化A/D轉(zhuǎn)換芯片。nCS,nWR,nRD,HNEN信號置1，數(shù)據(jù)讀寫使能triEn置0；

iSt1：nCS信號置0，拉低片選信號；

iSt2：nWR信號置0，拉低寫信號，準(zhǔn)備產(chǎn)生寫信號的上升沿；

iSt3：數(shù)據(jù)讀寫使能triEn置1，并按控制字格式編排數(shù)據(jù)準(zhǔn)備寫入數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)內(nèi)容為{5’b0,chNum}；

iSt4：nWR信號置1，拉高寫控制信號，產(chǎn)生上升沿，此時，數(shù)據(jù)讀寫使能triEn有效，將控制字寫入數(shù)據(jù)總線配置A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197的運行模式，同時控制字中選定的模擬輸入通道上的數(shù)據(jù)開始進行采集；

iSt5：數(shù)據(jù)讀寫使能triEn置0，并將nCS信號置1，拉高片選信號，不再對數(shù)據(jù)總線進行操作，同時等待模擬數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換完成。當(dāng)檢測到nINT信號為低電平時，表示模擬數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果已在數(shù)據(jù)總線上等待讀出[16]，否則，繼續(xù)等待；

iSt6：nCS信號置0，使片選信號有效；

iSt7：nRD信號置0，拉低讀控制信號，準(zhǔn)備從數(shù)據(jù)總線上讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；

iSt8：HNEN信號從狀態(tài)iSt0時一直為高電平，此時讀控制有效，從數(shù)據(jù)總線上讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的高4 bit，當(dāng)從總線上開始讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)識信號nINT恢復(fù)高電平，等待下一次轉(zhuǎn)換；

iSt9：HNEN信號置0，準(zhǔn)備讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8 bit；

iSt10： HNEN信號為低電平且讀控制有效，從數(shù)據(jù)總線上讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8 bit；

iSt11：12 bit轉(zhuǎn)換結(jié)果已全部從數(shù)據(jù)總線上讀出，nRD信號置1，拉高讀控制信號，不再對數(shù)據(jù)總線進行讀操作，同時，HNEN信號置1，恢復(fù)到初始態(tài)；

iSt12：nCS信號置1，拉高片選信號，使片選信號無效，使所有控制和狀態(tài)信號都恢復(fù)到初始態(tài)。

當(dāng)所有控制和狀態(tài)信號都恢復(fù)到初始態(tài)值時，表示對當(dāng)前模擬通道的轉(zhuǎn)換操作已全部完成，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到iSt0，開始進行下一通道轉(zhuǎn)換操作，以此循環(huán)8次，可實現(xiàn)8個模擬通道的順序轉(zhuǎn)換。開啟新一輪的轉(zhuǎn)換時，當(dāng)模擬通道的信號量程、極性有變或需改變芯片的運行模式時，需按格式對控制字進行重新設(shè)置。如果在當(dāng)前轉(zhuǎn)換周期未結(jié)束時寫一個新的控制字將使當(dāng)前轉(zhuǎn)換失效，并啟動一次新的采集轉(zhuǎn)換過程[17]。

3 系統(tǒng)仿真

在Quartus II開發(fā)平臺上，用Verilog語言進行程序設(shè)計，并用Quartus II軟件的嵌入式邏輯分析儀Signal Tap II通過JTAG端口來查看以實際系統(tǒng)速率運行的系統(tǒng)內(nèi)的各設(shè)計節(jié)點，從而實現(xiàn)對FPGA設(shè)計內(nèi)部節(jié)點的訪問。本設(shè)計的主時鐘將外部晶振從FPGA芯片的全局時鐘管腳輸入，使用Alter公司的PLL內(nèi)置模塊對輸入的外部時鐘倍頻[18]，對高頻鐘分頻后為MAX197提供1 MHz時鐘。在模擬通道1上接入+5 V電壓，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換時序如圖3所示。

圖3 通道1數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換時序

圖3中，clk是外部時鐘模式下由外部晶振為MAX197芯片提供的時鐘；iSt為狀態(tài)機；doutTmp為FPGA內(nèi)部寄存器，存儲設(shè)置的控制字；dataIO為MAX197與FPGA交互的8 bit并行數(shù)據(jù)線；當(dāng)nCS有效，nWR為低電平時，triEN使能將寄存器內(nèi)的數(shù)寫入數(shù)據(jù)線，初始化控制字。dout[i]為轉(zhuǎn)換結(jié)果。軟件設(shè)計中，所有賦值操作使用的都是非阻塞型過程賦值，則對應(yīng)的狀態(tài)機中，每一次信號的賦值要到下一個時鐘周期來臨時才會執(zhí)行。通過時序圖可以看到，在狀態(tài)機iSt為4時，設(shè)置好的控制字寫入了數(shù)據(jù)總線dataIO，配置好MAX197轉(zhuǎn)換芯片的運行模式，并選定當(dāng)前需轉(zhuǎn)換的模擬通道為通道1。狀態(tài)機iSt為5時，nWR的上升沿到來，開始采集信號，經(jīng)過18個時鐘周期，信號采集并轉(zhuǎn)換完成；此時，轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)識信號nINT變?yōu)榈碗娖?，并開始向數(shù)據(jù)線上準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換結(jié)果。狀態(tài)機iSt為8時，nRD為低電平，開始從數(shù)據(jù)線上讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，nINT恢復(fù)為高電平等待下一次轉(zhuǎn)換過程。dout[0]顯示模擬通道1上+5 V的電平信號轉(zhuǎn)換結(jié)果不穩(wěn)定，數(shù)值一直在12’hBA7～12’hCBD間不停跳動，換算成電平值則為3.63～3.98 V。說明每次對+5 V電平采樣時，采樣到的電平值不穩(wěn)定且數(shù)值偏差很大，模擬信號受到了嚴(yán)重干擾。檢查電路布線，發(fā)現(xiàn)模擬地與數(shù)字地間未做等電位處理，可能造成模擬信號不能正確識別。將MAX197芯片的第28管腳和15管腳直接短接，并在模擬通道1上通過直流可調(diào)電源接入+5 V電壓，模擬通道2上接入約+2.5 V電壓，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換時序如圖4和圖5所示。

圖4 優(yōu)化后通道1數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換時序

從圖4轉(zhuǎn)換結(jié)果可以看出，電路經(jīng)初步優(yōu)化后，+5 V電平的轉(zhuǎn)換結(jié)果穩(wěn)定，且轉(zhuǎn)換值12’hFFF正確。

圖5 優(yōu)化后通道2數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換時序

通道1轉(zhuǎn)換完成后在轉(zhuǎn)換周期結(jié)束前，通道號加1，準(zhǔn)備進行通道2的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖5中，在新一輪轉(zhuǎn)換周期中，chNum值由0變?yōu)?，表示當(dāng)前選定模擬通道2，轉(zhuǎn)換芯片的運行模式?jīng)]有改變，此時，控制字doutTmp設(shè)置為’h01，dout[1]顯示模擬通道2上+2.5 V的電平信號轉(zhuǎn)換結(jié)果為12’h7FD～12’h7FF。

結(jié)合圖4和圖5，模擬信號經(jīng)初步抗干擾優(yōu)化處理后，+5 V，+2.5 V信號轉(zhuǎn)換結(jié)果正確且穩(wěn)定，芯片A/D采集轉(zhuǎn)換功能正常。

為測試軟件的通用性，改變模擬通道信號量程和極性，將模擬通道3上信號量程設(shè)置為±10 V，并將通道3接入穩(wěn)定-5 V電壓，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖6所示。

圖6 通道3數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換時序

圖6中，由于通道3信號量程改變，在進行數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換前，控制字doutTmp應(yīng)設(shè)置為{5’b11，3’b10}，表示當(dāng)前選定模擬通道3，且信號量程為±10 V，dout[2]顯示模擬通道3上-5 V的電平信號轉(zhuǎn)換結(jié)果為12’hBFE，轉(zhuǎn)換結(jié)果與實際相符，芯片A/D采集轉(zhuǎn)換功能依舊正常。

4 系統(tǒng)測試

在實際地空信息系統(tǒng)特定功能機箱內(nèi)，將重新優(yōu)化設(shè)計后的電路板與功放模塊連接，模塊反饋的模擬電壓作為A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入信號來檢測硬件電路及軟件的實用性。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換測試中，通過功能機箱上的狀態(tài)顯示屏可查看12 bit A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。調(diào)節(jié)反饋電壓，當(dāng)電壓值為單極性且在0～+5 V間變化時，轉(zhuǎn)換結(jié)果在12’h000～12’hFFF間變化。調(diào)節(jié)反饋電壓分別穩(wěn)定至+3.0 V，+2.5 V時，使用3塊電路板進行測試，轉(zhuǎn)換結(jié)果如表1所示。

表1 A/D轉(zhuǎn)換測試結(jié)果

電路板序號模塊反饋電壓/V芯片模擬信號輸入端電壓/V測試結(jié)果轉(zhuǎn)換值/V13.00002.999412’H9972.997623.00002.999712’H9982.998833.00002.999912’H9993.000012.50002.499212’H7FD2.496922.50002.499612’H7FE2.498232.50002.499912’H7FF2.4994

5 結(jié)束語

MAX197的采樣精度和其時序密切相關(guān)，本設(shè)計電路使用FPGA做主控芯片，處理速度快，通過表1的測試數(shù)據(jù)，對3塊不同的電路板灌裝本設(shè)計軟件后，誤差均不超過3 mV，轉(zhuǎn)換精度高，且多通道轉(zhuǎn)換模式和數(shù)據(jù)處理通過FPGA編程控制，在硬件電路不變的情況下修改軟件程序就能滿足多種數(shù)據(jù)采集需求[19]。該設(shè)計已應(yīng)用到實際的地空信息系統(tǒng)中，具有一定的實用價值，同時由于該設(shè)計采用Verilog語言完成電路的軟件設(shè)計，易用性和可移植性得到了加強，不僅使硬件功能的設(shè)計修改和產(chǎn)品升級變得十分方便，而且極大地提高了電子系統(tǒng)的靈活性和通用性。結(jié)合圖3～圖5的實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計還強調(diào)了模數(shù)混合電路設(shè)計中信號抗干擾處理的重要性，具有一定的學(xué)習(xí)參考價值。