基于FPGA具有自动量程转换功能的信号采集电路设计

徐承成，黄琦，张昌华

（1 电子科技大学电力系统广域测量与控制四川省重点实验室， 四川成都 611731；2 电子科技大学能源科学与工程学院，四川成都 611731）

0 引言

当被测电压信号幅度从几伏到几百伏变化时，为保证测量精度，必须根据信号幅值的大小选择合适的量程，由此提出了测试仪器的量程切换问题。传统仪器采用人工换档法，具有工作量大且不能保证换挡实时性的缺点，难以满足这类测量的要求。因此，研制具有量程自动切换功能的信号采集电路，在实际测试工作中具有重要的应用价值。

1 系统构成

信号的幅值变化范围从几伏到几百伏不等，因此要按照合适的比例进行衰减，衰减后的信号一方面经过电压跟随、滤波之后输入到A/D转换器，由FPGA控制A/D转换器完成信号采样。另一方面输入到量程判别电路，得到相应的量程指示信号，由FPGA检测到该信号，控制继电器通断实现量程自动切换。本信号采集电路系统框图如图 1 所示。

图 1 系统框图

由以上分析可知，本信号采集电路设计的核心内容是：依据信号的变化范围选用恰当切换开关、使用合理的电压衰减电路、选择合适的AD转换器、设计正确的量程判别电路以及FPGA控制程序等。

2 硬件电路设计

2.1 信号调理电路

信号调理电路由信号衰减电路、电压跟随电路、滤波电路构成。

为防止采集电路本身对信号造成衰减，影响测量准确度，采集电路必须要求高输入阻抗。本采集电路分压电阻网络由9 MΩ、900 kΩ、90 kΩ、10 kΩ，精度为0.1%的电阻串联组成，输入阻抗达到10 MΩ。该分压电阻网络实现了对信号1、1/10、1/100、1/1000倍衰减。衰减后的信号经电压跟随、滤波后输出。选用欧姆龙的G3VM-601BY-EY光控继电器作为切换开关，其交流最大输入可达到600 Vp，隔离电压5 kV，响应时间约为1.2 ms。为防止信号由低向高跳变瞬间开关未能及时动作而造成对后级电路的损坏，本设计采用稳压二极管电路进行正负双向稳压，起到运算放大器输入保护作用。电路如图 2所示。

图 2 信号调理电路

2.2 量程判别电路

普通万用表的测量电路一般用平均值或有效值电路进行AC/DC转换，得到信号的平均值或交流有效值，以此作为量程判断依据，电路简单、成本较低。此类判别对不失真的正弦信号具有良好的识别性能，但是当输入三角波、方波等非正弦信号，或正弦信号发生畸变、严重失真时，效果并不理想。虽然信号的有效值仍处于当前量程，但其幅度的最大值可能已经超出当前量程上限，因此会出现误判，导致量程开关不能正确动作，从而影响测量的准确性。

为了弥补以上缺点，本采集电路采用被测信号的幅值的绝对值作为量程判断标准。当输入信号由低变高时，电路必须快速跟随其峰值变化，及时切换至合适的大量程档位，然而当信号减小时，电路会将其峰值保持一定时间，这样可以避免由于开关反复动作造成错误测量。

量程判别电路由绝对值电路、峰值保持电路、电压比较电路组成。

2.2.1 绝对值电路

调理电路输出的信号输入到绝对值电路，其输出即为输入信号的绝对值。绝对值电路如图 3所示。

图3 绝对值电路

U1构成电压跟随器，U2、R1、R2、R3组成反相放大器，令R1=R2=2R3，则其放大倍数为-1，U3构成正向电压跟随器。若输入信号为正，则经反相放大后，由于D1反向截止，无法输出，而经由U3、D2构成的电压跟随器输出。反之，输入的负信号可以经反相放大器反相输出，而不能经电压跟随器输出。因此，电路最终输出为输入信号的绝对值。

2.2.2 峰值保持电路

绝对值电路输出的信号经峰值保持电路进行峰值采样保持。无论信号是否为周期信号，只要其频率在峰值保持电路响应范围内且保持幅度稳定，峰值保持电路都会输出恒定的直流电压，即信号峰值。因此以该电路输出作为量程判断依据效果十分理想，不但能正确识别信号量程，而且由于判别标准电压稳定，不易造成继电器的误动作。峰值保持电路如图 4所示。

图4 峰值保持电路

U1、U2、R1、C1、R2组成峰值采样电路。R3、C2、U3组成电压保持电路。设电路已达到稳定状态，当输入信号增大时，即输入比较器U1反相端电压大于其正相端电压，U1输出为负，U2输出为正，由于C1的积分作用，U2输出呈上升趋势。同时U2输出反馈到U1同相输入端，与输入信号重新比较，直至与输入信号大小相同时，U2输出重新达到动态稳定状态，从而实现了信号的峰值采样。峰值信号经电压保持电路输出，从而电路实现了信号峰值采样保持功能。

2.2.3 电压比较电路

峰值保持电路输出的幅值进入比较器分别与两基准电压进行比较，产生超量程、欠量程信号，由控制器检测到该信号，进行继电器开关动作，切换至合适的量程。本采集电路根据A/D的量程设计两路基准电压分别为2 V、0.2 V，分别表示超量程、欠量程电压限。具体电路如图 5所示。

图5 比较器电路

2.3 A/D转换电路

选择使用ADS8323作为采集电路的A/D转换器。电路如图 6所示。

图6 A/D转换电路

3 控制程序设计

本采集电路数字控制主要包括量程信号识别、量程选择开关控制、A/D驱动控制等功能。

3.1 量程信号识别

量程指示信号由两路比较器输出。2 V基准电压表示当前量程上限，0.2 V基准电压表示当前量程下限。以图 5中S2作为高位信号，则当比较器输出编码为01时，说明此时量程处于合适档位，不需进行任何量程开关动作；当编码为11时，表示信号超出当前量程上限，需要切换至较大量程；当编码为00时，表示信号低于当前量程下限，需要切换至较小量程。FPGA通过检测该编码进行量程档位识别。

3.2 量程切换控制

本系统测量的有效值为0～300 V、直流偏置为-40 V～+40 V的交流信号。留有一定裕量，设计最大量程为500 Vp。A/D测量信号范围设为-2.5 V～+2.5 V，留有一定裕量，设计实际转换电压范围为-2 V～+2 V，因此量程档位分为0 V～2 V、2 V～20 V、20 V～200 V、200 V～500 V。FPGA控制引脚输出为“1”时，继电器导通，输出为“0”时，继电器断开。设定最大量程开关闭合时对应的逻辑编码为“1000”，最小量程开关闭合时对应的逻辑编码为“0001”。逻辑状态转换图如图 7 所示。

图7 开关控制状态转换

3.3 A/D转换控制

现场信号为50 Hz的交流信号，在工程上一般采用10倍以上采样率对信号进行采样。本采集系统采用5 kHz采样频率。晶振产生10 MHz经过2000分频产生5 kHz的采样周期信号。在每个采样周期，启动A/D对被测信号进行转换，转换结束后读出采样数据，读数完毕后进入等待状态，准备下次采样。ADS8323控制时序图如图 8所示。

图8 A/D控制时序

在每个采样周期，首将片选信号CS置低，然后将CONVST信号置低，启动A/D转换器，进入转换状态。此后BUSY信号开始由低变高，表示A/D进入忙碌状态。然后重新将CONVST信号置高。在第17个时钟脉冲的上升沿到来后，BUSY信号在不超过25 ns的时间内由高变低，结束转换过程。当FPGA检测到BUSY下降沿信号时，进入读数准备状态。随后将片选信号CS重新置低，再将RD信号置低，经过40ns以上的时间，A/D输出数据稳定，FPGA通过16位数据线读入数据。读数完毕后，将RD信号置高，再将CS信号置高并保持大于零的时间，这样就完成了一次采样及读数。图8所示信号中，CLK由外部晶振提供，最大接受频率为10 MHz。CONVST、CS、RD均为FPGA发出的控制信号，BUSY、DB15-0为FPGA读入信号。

4 测试效果

该信号采集电路在实际测试中，能正确对信号进行合适的量程选择，保证了数据测量的准确性。在4个量程分别选取了一些直流偏置为0的交流电压作为测试信号，其有效值测试效果如图 9所示。

图9 测试效果图

图9中，x轴为A/D测得数据，y轴为5位半万用表测得数据，并以此作为标准数据。由图可知，该拟合曲线大致分为两段，各段线性度都较好，方程如图所示。将测得数据代入直线方程，可对数据进行修正，以减小显示误差。对该曲线进行更细的分段线性化处理，可以进一步提高测量的精度。

5 结论

本文设计的具有自动量程转换功能的信号采集电路可广泛应用于电压测试仪器设计中。在实际运行中稳定可靠，大量测试中都未出现量程开关误动作的现象。针对无人监守的场合，例如野外作业，测试者事先无法预知信号的大小范围，而且信号会发生大的跳变，使用该种采集电路可自动对信号进行识别，保障了信号测试的实时性和准确性，同时也节省了人工开支，提高测试者的工作效率。此外，FPGA通过通信接口电路可与主控器进行数据传输，进而扩展数据存储、波形显示等功能。

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