采用现场可编程门阵列器件实现典型电路的设计方案

1引言

在科研和工程中，数据采集系统具有很广泛的应用，针对各类电压型传感器输出的信号伏值不同这种情况，本文提出了一种能够控制增益的数据采集系统。该系统以FPGA作为逻辑控制核心，选用仪表运算放大器AD623作放大电路，ADG704作为模拟开关，通过对FPGA进行编程配置，控制模拟开关选通不同的电阻，选通电阻配合AD623实现放大。同时该系统可以对多通道配置不同的增益，从而可以采集不同传感器输出的信号。实现了采集范围宽的采集要求。

2 系统设计方案

本设计采用现场可编程门阵列（FPGA）作为主控单元，实现整个系统的逻辑控制。整个系统的原理框图如图1所示。从整个流程来看，系统主要由以下几个模块组成：运算放大模块、AD转换模块、可编程逻辑器件控制模块。

整个系统的工作流程为：首先确定各通道输入信号范围，从而确定各通道的增益，对FPGA进行编程配置，使ADG704选中增益配置电阻，经AD623放大后通过精密运放OP113跟随输出，通过多路选择器切换将模拟信号输出至AD转换器，将转换完成的数据通过FPGA存储在FLASH。完成整个系统的数据采集。

3 典型电路设计

下图2为运算放大模块电路图。

该模块的核心为仪表运放AD623，AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（+3V～+12V）下提供满电源幅度的输出，其增益设置范围为1~1000。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比（ACCMRR）而保持最小的误差，线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200Hz时仍保持恒定而受到抑制。增益可通过1脚和8脚之间的电阻设置，其公式如下：

G为放大倍数。 为调节电阻。

图中输入信号前加一阶无源低通滤波器，滤除混叠在信号中的高频成分，信号截至频率可以通过

f=1/2ΠRC求得，同时在AD623输出端又加一级分压滤波器，它与前一级滤波器构成二阶无源低通滤波器。对滤波后的信号进行放大，对于AD623，如果信号不加共模信号直接放大，输出信号最大将会被限制在1.25V。如图输入信号为0～20mv正弦波，通过调节电阻使其增益设置为100，此时输出应为0～2V的正弦波，但实际波形如下：

如果在输入端加2.5V共模电压，电路图连接如图2，同样在输入端加0～20mv正弦波，增益设置为100，输出波形如下：

为了提高驱动能力，如图2中在AD623输出端加一级跟随器OP113作为驱动，因为AD623设计为驱动10K欧或以上的负载，如果负载小于10KΩ时，需要用一个精密运放作为缓冲提高驱动能力，接OP113作为跟随驱动器，当负载小到600Ω时，也可以在负载上得到0～4V的输出摆幅。

在图2中ADG704作为模拟开关，主要用来切换S1～S4中的某一通道与D导通，该选中通道与AD623配合实现增益控制。对于ADG704的控制，用可编程逻辑器件编程实现。控制使能和选择信号A1、A0、EN通过真值表1实现切换。

4 结束语

本文提出的由可编程逻辑器件控制系统的放大倍数，充分利用了仪表运算放大器AD623的增益可调功能及其优越性。每一路热电偶输入信号可以有多个不同的放大倍数，使得各种幅值不同的输入信号采集的实现更加方便、可靠、快捷。选用的16位AD转换器，以采集精度高、控制方便、转换速度快等优点，更大程度地优化了该系统。

本文作者创新点：通过对FPGA进行编程配置，可以对不同通道输入的伏值不同的电压信号分别设置增益，使每一个通道输出的信号正好在AD采集所需要的信号范围内。设计结构简单、体积小、适用性强、性能优良、可控性好、能够满足大部分试验和科研过程的需求，具有很广泛的适用性。

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