基于FPGA实现高精度AD转换电路设计
基于FPGA实现高精度A/D转换电路设计
李 敏 陈兴文
（大连民族学院 机电信息工程学院，辽宁 大连116600）
摘要:提出间接实现高精度A/D转换电路的设计方案，给出以FPGA为核心，采用等精度测频原理，辅以高精度，低温漂的模拟、数字器件的具体电路设计，并进行了实际测试。测试表明该方案可以实现16位高精度、低线性误差的A/D转器。
关键词： FPGA A/D 高精度
中图分类号：TP274 文献标志码：A
High Precision A/D Conversion Circuit Design Based on FPGA
LI Min CHEN Xing-wen
(College of Electromechanical and Information Engineering, Dalian Nationalities University,
Dalian Laoning 116600, China)
Abstract: The paper presents the design of a high precision A/D conversion circuit with indirect implementation and gives the particular circuit design of analog and digital devic es centered with FPGA, based on equal precision frequency measurement principle and su pported with high precision and low temperature excursion. Actual testing results show tha t 16-bit high precision, low linear error A/D converter can be realized with this design. Key words: FPGA; A/D; high precision
随着电子技术和计算机技术的迅速发展，现代测量信号的处理基本上由数字系统或计算机完成。一般传感器测量的信号都是模拟信号，要转换为数字信号计算机才能进一步处理。因此A/D转换器的性能对整个系统的性能指标具有重要的影响。一般A/D转换器设计是由模拟电路完成的，电路比较复杂，集成电路生产厂家提供了大量的产品供用户选择。设计者根据转换精度、转换速度和性价比等指标要求选择合适的产品,一旦设计完成，则很难修改。
随着电子设计自动化技术的普及，使得硬件描述语言来设计数字电路十分方便快捷，甚至可以轻易的用VHDL语言描述一个大规模的系统级芯片，形成SOC片上系统。本设计就是基于FPGA借助硬件描述语言，实现16位高精度A/D转换电路[1]。
1实现方案
本设计方案采用间接法实现A/D转换电路的。其具体方案如图1所示,包括电压放大电路，V/F变换部分，信号调理电路和FPGA等四部分。下面对每个部分的功能进行详细的介绍。
模拟量输入数字量输出
图 1实现方案框图
1.1 电压放大电路
由于数据采集系统的输入信号为模拟输入，即传感器的电信号输出一般为0～100mV的小电压信号，所以需要对模拟信号进行精密的放大才能达到数字系统要求的信号幅度。电压放大电路即完成这一功能。本设计模拟信号经过该部分后被放大100倍输入到V/F变换部分。
1.2 V/F 变换部分
该部分主要完成模拟放大信号到频率量的转换。放大的模拟信号经V/F 变换后输出为脉冲信号，而且要求脉冲信号的频率与模拟信号的大小成正比例关系，从而可以建立模拟量和频率量的对应，使得模拟量到数字量的转换成为可能。该部分电路主要采用美国AD 公司生产的单片V/F、F/V 转换集成电路AD650，可实现精密的电压/频率、频率/电压转换。AD650具有外接电路简单、转换频率高、非线性误差低、输入方式灵活、集电极开路输出及模拟地和数字地分开等显著特点。输入方式可选用单极性电压输入、双极性电压输入、差分电压输入及电流输入；输人信号范围和满度输出频率可通过外接的电阻、电容来调整；输出采用集电极开路形式，可通过外接电源及上拉电阻实现CMOS 和TTL 不同逻辑电平的输出。 1.3 信号调理电路
由于V/F 变换部分的输频率并不是方波信号，而是很窄的斜坡脉冲，难以测量其频率，所以需要通过信号调理电路进行分频，实现边沿整定和占空比调整，输出占空比50％的方波信号到FPGA。同时由于AD650对外部电磁干扰反应非常敏感，V/F 转换部分必须与测量显示部分实现电气隔离，此处采用光耦合隔离。 1.4 FPGA 部分
FPGA 部分是该数据采集系统的核心，它主要完成了两个功能：(1)经过前两个部分后，输入的模拟信号已经被转换成标准的频率量， 通过FPGA 实现对调理电路输出的方波信号进行测量，并将频率测量值用数字量表示。这部分直接影响测量的精度，可以借鉴等精度测频的思想进行设计；(2)设计使能信号，实现上位机的控制信号对A/D 转换进行控制，从而使该系统能够作为大规模测控系统中的数据采集部分。图2为等精度测频原理。
图2 等精度测频原理
图中预置门控信号是宽度为pr T 的一个脉冲，CNT1和CNT2是两个可控技术器。标准频率信号从CNT1的时钟输入端CLK 输入，其频率为s f ，经整形后的被测信号的上升沿通过D 触发器的Q 端同时启动计数器CNT1和CNT2。CNT1和CNT2分别对被测信号x f 和标准频率信号s f 同时计数。当预置门信号为低电平时，随后而至的被测信号的上升沿将使两个计数器同时关闭。设在一次预置门时间pr T 内被测信号与标准信号的计数值分别为x N 和s N ，则 由此可推得:s
x
s x N N f f ×=
。 等精度测频具有三个特点：(1)相对测量误差与被测频率的高低无关;(2)增大pr T 或s
f 可以增大s N ，减小测量误差，提高测量精度；(3)测量精度与预置门时间和标准频率有关，与被测信号的频率无关。可见为了提高系统测量精度，可采用高频率稳定度和高精度的晶体振荡器作系统的标准频率发生器，故我们选用有源晶振[2]
。
2 具体电路设计 2.1电压放大电路
电压放大部分的具体电路如图3所示。这里的运放选择的是具有斩波稳定功能的ICL7650运算放大器。输入的0-100mV 电压经过100倍的放大后，产生0-10V 的输出。运放的电阻须选用1/1000精度的，方可保证V/F 变换的精度。
图3 电压放大电路
2.2 V/F 转换电路
V/F 变换部分的硬件电路具体如图4所示，外围元件IN R ,OS C ,INT C 和O R ,根据IN V 范围和满度输入Fout 来确定。图中R1微调电阻是实现满量程输出的微调，R3，R4是对内部运放A 的失调电流调节，C1,C2,C3是对加在AD650上的电源进行滤波，提高抗干扰能力。本设计按照0～10V 输入，最高输出频率为1MHZ 的设计要求。
图4 V/F 变换电路
2.3 信号调理电路
信号调理电路如图5所示，在这里光耦合器件选用的是东芝的6N137，其最高响应频率为10MHZ，隔离电压为2500V，满足要求。
图5 信号调理电路
3.FPGA的软件设计
FPGA主要完成频率量到二进制数字量的转换，为此需要完成控制模块、计数模块，锁存器模块和中断信号产生模块的设计。这一部分顶层电路原理如图6所示。电路中包括控制器、定时器、16位计数器、中断信号产生电路、锁存电路、去毛刺电路。共同完成了将频率量到16位二进制值的转换。
图6系统顶层电路
工作过程：使能信号cs为低电平有效的时候，控制模块检测开始信号start，若start 为低电平，则控制模块输出clr也为低，定时器和计数器清零。当start信号变高时，开始定时和计数。当定时器定时到之前输出计数使能信号en为高；当定时时间到en变为0，计
数器停止计数。同时在en下降沿锁存器将计数器的输出锁存，中断产生模块发出中断信号。
4 电路性能测试
对所设计的A/D转换器进行测试，采用的仪器为双踪数字示波器TDS-2012和标准直流信号源，表1为在实验室的测量结果，可见具有较好线性度[3]。本设计以FPGA为核心，利用等精度测频原理，辅以高精度，低温漂的优质模拟、数字器件，采用光电耦合实现了A/D转换实现了高分辨率、低线性误差的A/D转换器。
表 1 A/D转换测量值
输入电压值（mV）理论值（Hz） 测量值（Hz） 线性误差（%）
10 113694 113536 -0.14
20 145763 145629 -0.08
30 177832 177628 -0.12
40 209901 209694 -0.10
50 241970 2217783 -0.07
60 274039 273805 -0.09
70 306108 305937 -0.06
80 338177 337961 -0.06
90 370246 370134 -0.02
创新点：提供了一种基于FPGA实现高分辨率数据采集的方案，并给出提供了详细的电路设计，大大降低了设计成本，提高了系统的采集精度和设计的灵活性，目前已用于实际项目中。
参考文献
[1] 杨峰．一种简易提高A/D转换器分辨率的方法［J］．微计算机信息，2007，8-2：282-283
[2] 陈兴文，李敏著．综合电子系统设计与实践[M]，沈阳：东北大学出版社，2005
[3] 高跃清，黄进燕，刘军泰．高速高精度数据采样系统设计及测试［J］．无线电工程2006，8：25-27
作者简介：李敏（1962－），女（汉族），辽宁省开原人，大连民族学院机电信息工程学院副教授，硕士，主要从事信息处理方面的研究。
Biography: LI Min(1962－),female(the Han nationality), Kaiyuan Liaoning, Dalian Nationalities University, associate professor, master, Research area: information processing