基于FPGA的多路模拟信号源设计与实现

2009-08-22 22:35:47来源: 黄春林

  0 引言

  随着遥测系统的不断发展,系统复杂程度也随之提高,因此在终端设计中,对信号源的频率稳定度、幅值范围和频率范围提出了越来越高的要求。这就要求遥测系统具备高码速、实时可重构、处理复杂结构的能力,传统的数字电路难以实现这些复杂功能。FPGA(现场可编程门阵列)是近几年发展起来的硬件可编程芯片,具有硬件密度高、结构灵活、可编程、加密性强等良好性能,在高速信号处理领域占有至关重要的地位,也为多路模拟量信号源的实现,提供了有效的途径。本文针对遥测应用,以大容量FPGA器件为核心,实现了电源独立的不同频率、不同波形的多路模拟量信号源。

  1 系统硬件设计

  目前,大容量的FPGA主要有Altera、Xilinx、Lattice、Actel、Cypress等公司的产品。比较而言,Altera CycloneII系列FPGA芯片速度快、容量大、内嵌RAM多、并且有DSP硬件乘法器,是低成本、低功耗应用的最佳选择。因此在本文中选用Altera公司的Cyclone II系列FPGA-EP2C8芯片,EP2C8芯片是1.25 V内核供电,具有8.256个逻辑单元(LE),36个M4K RAM块,RAM总量为165,888,18个嵌入式乘法器以及208个管脚,其中包括182个最大可用I/O引脚。Altera公司有相应的开发软件平台Quartus II,此软件功能强大,使用简单,支持的器件种类众多,可支持在线仿真,在线下载等,并具有丰富的IP核及逻辑功能模块资源,便于使用VHDL+模块/原理图输入界面等等。模拟量信号源主要包括中央控制FPGA单元、模拟量FPGA、静态存储SRAM、单路模拟量单元,如图l所示,

  整个系统使用USB 2.0接口与计算机进行通讯,信号由计算机软件生成波形数据,通过USB口下载到主控FPGA,经过16位SRAM锁存,将各路信号传至模拟量FPGA,经由解码分路选通,输出电源独立的不同频率、不同波形的多路模拟量信号。其中包括4路单极性幅值O~30V,60路双极性幅值±15V;四种波形分别为锯齿波、正弦波和方波(占空比1:1),信号频率为0~50Hz,以及固定电平,幅值可以初始设定,并可实现实时可调。

  2 单路模拟量组成模块设计

  2.1 系统构成

  单路模拟量由电源隔离单元、前端稳压单元、数模转换(DAC)单元和运算放大单元等构成,具体构成如图2所示,系统由双18 V供电经过稳压单元输出4.096 V,给DAC和运放芯片提供工作电压,另外通过指令启动信号在SPI总线上发送FPGA的CS、SCK、SDI信号,传至单路模拟量,将相应数字量进行D/A转换,得到的模拟量数据经由运算放大输出,即可实现64路模拟量波形。系统时钟同步输出,具有很高的可靠性。

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关键字:遥测系统  FPGA  模拟信号源  设计

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2009/0822/article_695.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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