依附于FPGA自动量程转换功能的信号采集电路开发

宋会良 李京华 李永飞

摘 要 伴随被测信号动态范围的增加，测量设备一定要具有一定的自动量程能力，所以本人提出了一种具备自动量程功能的信号采集电路设计模式。依附于逐次对比的理念，此电路通过模拟电路，对信号予以辨识，在此基础上经现场可编程逻辑门阵列（FPGA）控制继电器切换至所需的量程，因此达到自动量程功能所需的功能。通过一系列的测试，此电路可以对信号予以精准的量程辨识，从根本确保了测量的有效性。

【关键词】可编程逻辑门阵列 自动量程 转换功能 信号采集 电路

在被测电压信号区间从几伏变为几百伏的状态下，为有效确保测量精准性，一定要依附于信号幅值择取相适应的量程，所以测试装置的量程切换问题也随之凸显。常规设备大多为人工换档，因此具有工作量大、无法确保换挡同步性的问题。所以，开发具有量程自动切换功能的信号采集电路，对实际测试工作有着深远的意义。文章将以依附于现场可编程逻辑门阵列自动量程转换功能的信号采集电路开发作为切入点，在此基础上予以深入的探究，相关内容如下所述。

1 信号采集电路系统构成

众所周知，信号的幅值改变区间较大，所以要依附于相应的比例予以衰减，完成衰减的信号要通过滤波后传输至单仪器模数转换器，在此基础上通过现场可编程逻辑门阵列控制单仪器模数转换器完成信号采集。同时输入至量程辨识电路，进而获取有效的量程指示信号，再通过现场可编程逻辑门阵列检测到此信号，控制继电器通断，因此达到量程自动切换的目的。

通过上述分析我们可以总结出，此信号采集电路设计的侧重点即为下述几方面：

（1）设计有针对性的量程辨识电路与现场可编程逻辑门阵列控制程序关；

（2）择取有效的电压衰减电路；

（3）选用配套的单仪器模数转换器；

（4）依附于信号的改变区间择取相适应的切换开。

2 针对硬件电路的设计

信号调理电路中包括：

（1）电压跟随电路；

（2）信号衰减电路；

（3）滤波电路。

为有效避免采集电路自身对信号所产生的衰减造成测量精度降低，在择取电路过程中，一定要选择高输入阻抗的电路。此次研究采集电路分压电阻网络通过900k欧姆、9M欧姆、10k欧姆以及90k欧姆，精度为千分之一的电阻串联而成，输入阻抗超过10M欧姆。

此分压电阻网络对信号予以全面衰减。完成衰减后的信号通过滤波后传输。切换开关我们择取欧姆龙的G3VM-601BY-EY光控继电器，隔离电压为五千伏，响应速率为一毫秒。

为避免信号从低向高跳变瞬间开关无法第一时间动作而导致后级电路受损，此设计择取稳压二极管电路予以双向稳压，进而全面确保运算放大器输入的安全性。信号调理电路示意见图1。

常规万用表的测量电路通常择取平均参数或有效参数电路予以交流/直流转换，采集信号的均值或交流有效参数，进而作为量程评定的基础，电路便捷，且可以有效节约成本。这种评定对不失真的正弦信号具有优异的辨识能力，不过在输入方波与三角波等非正弦信号，或正弦信号出现畸变及失真的状态下，其效果不显著。

信号的有效参数虽然为同步量程，不过其幅度的最大参数已经超过当前量程极值，所以会存在误判的问题，进而造成量程开关无法正确动作，因此影响测量的精准度。为了避免上述问题，我们采集电路选择可被测信号幅值的绝对参数作为量程评定指标。在输入信号从低变高的状态下，电路跟随其峰值的改变，第一时间切换到相应的量程区间，不过在信号减小的状态下，电路会把其峰值制衡于一定时间，这样能够防止因为开关反复动作而导致错误测量。量程评定电路构成包括：

（1）峰值保持电路；

（2）绝对值电路；

（3）电压比较电路。

此次研究择取ADS8323 作为采集电路的单仪器模数转换器。

3 控制程序的设计

采集电路数字控制通过量程选择开关控制、量程信号辨识以及单仪器模数转换驱动控制所构成。

量程指示信号通过两路对比器输出。两瓦电压即为现阶段量程极值，0.2瓦电压即为现阶段量程下限。现场可编程逻辑门阵列经检测此编码予以量程档位辨识。

此系统测量的有效参数为零至三百伏、直流偏置为负四十伏至四十伏的交流信号。要确保足够的裕量，设计最大量程为五百Vp。单仪器模数转换测量信号区间设为 -2.5瓦～+2.5 瓦，要确保足够的裕量，设计实际转换电压区间为-2瓦～+2 瓦，所以量程档位分为0瓦～2瓦、2瓦～20瓦、20瓦～200瓦、200瓦～500瓦。现场可编程逻辑门阵列控制引脚输出为“1”的状态下，继电器导通，输出为“0”的状态下，继电器断开。

单仪器模数转换控制，现场信号为五十赫兹的交流信号，在工程上通常择取使倍以上采样率对信号予以采样。此采集系统择取五千赫采样频率。晶振产生十兆赫通过两千分频产生五千赫的采样阶段性信号。在各采样阶段中，开启单仪器模数转换对被测信号予以转换，完成转换后录入采样参数，完成读数后进入等待采样状态。

在各采样阶段，要先把信号代码段寄存器置低，在此基础上把启动采样信号置低，启动单仪器模数转换器，进入转换状态。在此基础上占线信号开始从低变高，即为单仪器模数转换处于忙碌状态。同时将信号代码段寄存器信号置高。

在第十七个时钟脉冲的上升，占线信号在不超过二十五纳秒的时间内从高变低，结束转换过程。在现场可编程门阵列检测到占线下降沿信号的时候，进入读数准备状态。在此基础上将片选信号代码段寄存器重新置低，同时把远程服務信号置低，经四十纳秒以上的时间，单仪器模数转换输出数据稳定，现场可编程门阵列经十六位数据线读入参数。完成读数后，把远程服务信号置高，这样就完成了一次采样与读数。

4 依附于现场可编程逻辑门阵列自动量程转换功能的信号采集电路测试效果

测试效果见图2。

图2x轴即单仪器模数转换测得参数，y轴即五位半万用表测得参数，同时以此作为指标参数。我们可以发现，此拟合曲线基本分成两段，两段线性度优异，方程在图中有所表述。把测得参数代入直线方程，能够对参数予以修正，进而降低显示误差。对此曲线予以更全面的分段线性化处理，能够从根本深化测量的精确性。

5 总结

综上所述，信号采集过程中，信号的幅值改变区间较大，所以要依附于相应的比例予以衰减，完成衰减的信号要通过滤波后传输至单仪器模数转换器，在此基础上通过现场可编程逻辑门阵列控制单仪器模数转换器完成信号采集。再通过现场可编程逻辑门阵列检测到此信号，控制继电器通断，因此达到量程自动切换的目的。此次研究信号采集电路设计的侧重点包括下述几方面，设计有针对性的量程辨识电路与现场可编程逻辑门阵列控制程序关、择取有效的电压衰减电路、选用配套的单仪器模数转换器、依附于信号的改变区间择取相适应的切换开。通过实际测试，没有发现量程开关误动作的问题。采集电路数字控制通过量程选择开关控制、量程信号辨识以及单仪器模数转换驱动控制所构成。量程指示信号通过两路对比器输出。两瓦电压即为现阶段量程极值，0.2瓦电压即为现阶段量程下限。现场可编程逻辑门阵列经检测此编码予以量程档位辨识。对无人监守的环境，择取此类采集电路能够自动对信号予以辨别，从根本确保了信号测试的同步性及精准度，而且也大幅度的节省了成本，深化测试人员的工作有效性。同时，现场可编程逻辑门阵列经通信接口電路能够和主控设备予以参数传输，因此加强波形显示及参数存储水平。

参考文献

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作者单位

凯迈（洛阳）测控有限公司 河南省洛阳市 471009