某能源组件氙灯放电电流波形采集系统的设计

论述了某能源组件氙灯放电电流波形采集系统的设计方法，介绍了大规模可编程门阵列（又称FPGA）EPM9320GC280－15控制波形采集，及10MHz高速A／D转换器件AD7825的使用方法。
     关键词：能源组件，可编程门阵列FPGA，高速A／D转换器件AD7825

1 引 言
　　一般的数据采集系统通常由采样／多路开关、A／D转换电路、计算机I／O接口电路等组成。作为高速数据采集系统的设计，其主要考虑的是系统时序设计、放大电路的频域特性、A／D芯片的选择、数据缓存设计等问题。
　　考虑到本设计有10路数据输入，500μs的数据采集时间，采样速率高，须0．5μs采样一次，因此决定不采用微处理器控制A／D变换器，而采用硬件直接处理来达到高速的目的。选用FPGA大规模可编程逻缉器件——ALTERA公司的EPM9320GC280－15提高响应速度；选用ANALOGDEVICES公司的10MHz高速A／D转换器AD7825来实现某能源组件氙灯放电电流波形的采集。
2　系统要求
2．1　系统条件
　　该能源组件氙灯放电电路主要包括预电离和主放电两大部分。在预电离放电脉冲50μs后，主放电电路为氙灯提供脉宽为400μs的放电主脉冲。
2．2　技术指标
　　系统工作电压：23kV；主脉冲最大放电电流：15kA；峰值放电电流＞4．8 kA；氙灯放电回路路数：10路；放电电流脉宽：400μs±10％；放电脉冲形状：工作在临界阻尼状态。
　　预电离电路工作电压：23kV；预电离脉冲宽度：50μs；预电离相对主脉冲提前时间：120μs。
　　该能源组件氙灯放电电流波形采集系统必须具有强抗电磁干扰能力，在主脉冲放电1～2min内，对10路氙灯放电电流波形能迅速响应，将其准确采集并存入主控台数据库。
3　芯片介绍
3．1　EPM9320GC280┐15简介
　　EPM9320GC280－15内含6 000个可用门，其引脚到引脚的最短传输延时为12ns，采用单＋5V电源供电，可通过JTAG接口实现在线编程，并带有可供168个用户使用的I／O脚（其中5个为专用输入脚）。该器件采用PGA封装。其中TCK、TMS、TDI、TDO、VPP为编程脚；GCLK1、GCLK2、GCLR、GOE为专用输入脚；VCCINT、VCCIO脚接＋5V电源；GND接地；I／O为用户可编程输入输出脚。在I／O脚作输出使用时，可由用户设定为0，1和Z三种状态。

3．2　AD7825简介
　　AD7825为高速420ns的8位A／D模数转换器，4通道可同时取样输入并保持放大。另有2位的通道地址选择口A0～A2以选择某通道的转换数据向外传送。当采用＋5V单电源供电时，其模拟输入电压在0～2．5V间取值。具有8位A／D转换结果并行接口输出模式，采用DIP24形式封装。
4　系统设计原理
4．1　原理框图
　　图1为采集系统原理框图，大规模可编程门阵列EPM9320GC280－15和A／D转换器AD7825为整个系统的核心。AD7825所需的时序脉冲均由EPM9320GC280－15产生，RAM存储器DS1220所需的地址信号、读写信号及片选信号也由EPM9320GC280－15依据一定时序关系送出。由于是强电流的工作环境，因此，虽是感应电流且加了屏蔽，但还需考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。设计中采用稳压管Z1～Z10作10路波形输入的吸收回路，以消除线路浪涌干扰。

4．2　FPGA内部电路的设计
　　图2为EPM9320GC280－15的内部逻辑电路。主要依据AD7825的模数转换等时序关系，由以下6个功能模块组成：启动AD7825功能，读写数据功能，片选产生功能，通道选择功能，AD片触发转换信号发生和地址位码产生功能。另外采取锁存及封锁信号等方法来清除实际运用时所出现的各种干扰。

4．3　FPGA仿真波形
　　EPM9320GC280－15的内部逻辑电路各功能块产生的仿真波形见图3～图8。首先，清零信号CLR将3片AD7825电路初始化，外部时钟同步，地址计数器的地址清为零地址；同步信号TB控制3片AD7825分别对10路电流波形进行100次采集并转换，另由AD7825内部产生信号EOC（指示每次转换已结束），控制AD7825的数据向RAM存储器DS1220内存储。（凡小写信号为控制信号，大写信号为受控信号。）
4．4　电流放电波形
　　图9为根据该采集电路采集的100个数据所绘制而成的一个电流放电波形图。因有总共10路放电回路，所以，每放1次电（即收到1个同步脉冲），需采集10组共1000个数据。
5　结束语
　　在实际运用中，本设计的实用性与稳定性得到了验证。引入现场可编程门阵列FPGA，可修改内部程序及其逻辑功能，实时快速控制转换，编程方便，可靠性高。另外，此控制电路采用2路供电方式：核心控制电路与外部辅助电路分别供电。核心电路EPM9320GC280－15与AD7825，由＋5V电源经DC／DC隔离后供电；外部辅助电路由＋5V电源直接供电。这样，既隔离了外部干扰，又保护了核心器件。

参考文献

1　赵雅兴．FPGA原理设计与应用．天津：天津大学出版社，1999