吳松
（中船重工集團第七二六所，上海 201100）
摘要：介紹了一種基于Σ-Δ型24位模數(shù)轉換器的采集系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)增益0~60 dB可調節(jié)，輸入信號幾微伏到幾十毫伏的高精度采集，多種頻率的濾波輸出；采用FPGA實現(xiàn)對模數(shù)轉換器的配置、控制和數(shù)據(jù)讀取，采集的大量數(shù)據(jù)緩存到外部Flash，由DSP讀取并進行FIR濾波處理后通過RS422接口發(fā)送到主機進行回波識別。
關鍵詞：Σ-Δ型、高精度采集、FPGA、DSP
0引言
伴隨著電子技術的高速發(fā)展，應用領域的不斷拓寬，使得連接模擬世界與數(shù)字世界橋梁的模數(shù)轉換器顯得格外重要，同時對模數(shù)轉換器的性能也提出了更高的要求。回聲信號非常微弱，最小只有幾個微伏，還夾雜著各種干擾信號，為了從干擾信號中檢測出有效信號，同時滿足系統(tǒng)高精度與響應時間的要求，本文介紹一種基于Σ-Δ型高精度ADC的采集模塊，滿足了系統(tǒng)的性能要求。
1數(shù)據(jù)采集模塊整體結構
采集模塊的組成框圖如圖1所示，主要由可變增益放大器、模數(shù)轉換器、FPGA、DSP、Flash、422接口和CAN接口組成。換能器接收到的微弱信號，經(jīng)放大器放大到AD模擬輸入范圍內的差分輸入信號；模數(shù)轉換器將可變增益放大器輸出的差分信號轉換為數(shù)字信號，經(jīng)過完全濾波后輸出數(shù)字量；FPGA控制模數(shù)轉換器的讀寫時序，讀入轉換的數(shù)據(jù)并完成緩存與處理，然后將數(shù)據(jù)存到外接Flash存儲器；DSP通過FPGA配置AD的采樣速率，控制采樣時間，調節(jié)可變增益放大器的增益，讀取Flash的數(shù)據(jù)進行濾波處理，然后通過通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。
2系統(tǒng)硬件設計
2.1主要器件選型
本文介紹的回聲信號是由發(fā)射換能器向海底定向發(fā)射聲波，到達海底后返回形成的一種夾雜著各種噪音的聲波信號，接收換能器將某一固定頻率附近的回聲信號轉化為電壓信號。由于不同的水深需要發(fā)射的聲波強弱不同，所以回波的強弱也不同，相應轉化成的電壓信號從幾微伏到幾十毫伏不等，所以要求放大電路具有低噪音和可變的增益。AD8338是一種可變增益放大器（VGA），適合要求全差分信號路徑、低功耗、低噪聲和在LF~18 MHz頻段內具有精確增益的應用，基本增益函數(shù)為線性的，標稱增益范圍為0 dB~80 dB；標稱增益范圍與增益引腳上0.1 V~1.1 V的控制電壓相對應，增益與頻率的關系如圖2所示。
AD8338只需幾個分立器件，用戶就可以自定義該器件的增益、帶寬、輸入阻抗及噪聲性能，以滿足自身應用的需求。器件采用3.0 V~5.0 V的單電源供電，能效極高，僅消耗低至3 mA的靜態(tài)電流。
AD7760是一款高性能、24位Σ-Δ型模數(shù)轉換器，融合了寬輸入帶寬和高分辨率的特性，以2.5 MHz的頻率輸出數(shù)據(jù)時信噪比（SNR）達100 dB，動態(tài)范圍也為100 dB。接收換能器輸出的信號動態(tài)范圍寬，經(jīng)可變增益放大器AD8338放大后輸出的差分信號峰峰值為2.8 V，而AD7760的差分輸入電壓的峰峰值為3.25 V，滿足了動態(tài)范圍和差分模擬輸入的要求。此外AD7760內置用于信號緩沖和電平轉換的差分放大器、超量程標志、內部增益與失調寄存器以及低通數(shù)字濾波器，器件提供可編程的抽取率，3個串聯(lián)FIR濾波器，抽取比、濾波器選擇和旁路有許多種不同的組合，因此能以多種數(shù)據(jù)速率輸出數(shù)據(jù)，范圍從48 kHz~2.5 MHz，可以滿足不同條件下對信號輸出速率的要求，如表1所示。
器件的輸入同步引腳也為應用提供了便利，允許用戶從一個已知的時間點采集模擬前端輸入的樣本，因此發(fā)射換能器的發(fā)射波結束后，處理器可以精確地控制模數(shù)轉換器開始采集的時間節(jié)點。AD7760對于要求高信噪比的應用來說，還可以簡化對前端信號調理電路的要求，從而降低了模擬電路的復雜度。
2.2采集電路設計
采集電路由一片可變增益放大器AD8338、一片模數(shù)轉換器AD7760和一片F(xiàn)PGA組成。處理器通過調節(jié)AD8338的GAIN引腳上的電壓（0.1 V~1.1 V）來實現(xiàn)放大器0~80 dB的增益調節(jié)，差分信號通過引腳OUTP和OUTM輸出，可變增益放大電路如圖3所示。
要實現(xiàn)AD7760如上所述的高性能，必須采用適當?shù)娜ヱ詈筒季旨夹g，尤其對電源輸入有著較為嚴格的要求，每個電源引腳必須通過鐵氧體磁珠連接到適當?shù)碾娫矗⒂靡粋€100 nF的電容去耦至正確的接地引腳，AD7760的基準電壓也要由專用的低噪音基準電壓源提供。AD7760需要一個外部低抖動時鐘源，而且輸入時鐘信號必須經(jīng)過緩沖之后才能輸入器件的MCLK引腳，所以需要將FPGA產(chǎn)生的40 MHz的時鐘信號經(jīng)過與門的兩個輸入端，然后將與門的輸出接到器件的MCLK引腳。模數(shù)轉換電路如圖4所示。
FPGA與AD7760之間的信號線主要有雙向數(shù)據(jù)總線、芯片復位線、片選、讀寫控制、同步信號和數(shù)據(jù)就緒輸出信號。復位線可以復位模數(shù)轉換器內部的數(shù)字電路；同步信號的下降沿可以使內部濾波器復位；數(shù)據(jù)就緒輸出信號是一個低電平的脈沖信號，表示數(shù)據(jù)總線上有數(shù)據(jù)輸出；讀寫控制、片選和雙向數(shù)據(jù)總線完成對模數(shù)轉換器的內部寄存器的配置和讀取濾波輸出的數(shù)據(jù)。
2.3電源電路設計
采集模塊是單電源5 V供電，系統(tǒng)內部FPGA的內核供電電壓是1.2 V，IO供電電壓是3.3 V，AD7760使用2.5 V和5 V兩種電源供電，DSP內核供電電壓為1.9 V，IO供電電壓3.3 V。FPGA和DSP屬于低功耗器件，實際使用中的功耗大約是300 mW，而AD7760正常工作狀態(tài)下的功耗接近1 W。實驗中使用線性電源發(fā)現(xiàn)：由于電路正常工作的功耗較大，而線性電源轉換效率低，導致整個系統(tǒng)正常工作中功耗更高，電源芯片發(fā)熱嚴重，不利于嚴苛條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，所以實際使用中采用了開關電源。開關電源具有體積小、功耗低、轉換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、安全可靠和電路形式靈活等優(yōu)點。電路中使用TI公司的TPS62400和TPS62404，輸入電壓范圍2.5~6 V，可調節(jié)的電壓輸出范圍是0.6 V~VIN,轉換效率高達95%，誤差范圍僅為1%，輸出的電流為400 mA和600 mA，滿足了系統(tǒng)對電源的性能要求，電源電路如圖5所示。
3系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件主要包括FPGA軟件和DSP軟件兩部分，F(xiàn)PGA軟件實現(xiàn)對AD7760的控制、數(shù)據(jù)讀取緩存和讀寫Flash；DSP軟件完成對AD7760的間接配置、數(shù)據(jù)讀取與處理和數(shù)據(jù)發(fā)送。FPGA軟件流程如圖6所示。
AD7760的軟件初始化包括啟動時鐘振蕩器、復位信號拉低并至少保持一個時鐘周期、復位信號釋放并至少保持兩個時鐘周期、寫入控制寄存器2地址和數(shù)據(jù)設置時鐘分頻比、寫入控制寄存器1地址和數(shù)據(jù)設置輸出數(shù)據(jù)速率、片選釋放并至少等待5個時鐘周期。配置完成后釋放同步信號，模數(shù)轉換器開始工作，軟件開始檢測數(shù)據(jù)準備就緒信號DRDY，檢測到低電平脈沖時開始讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸使用16位雙向并行接口，24位轉換數(shù)據(jù)以二進制補碼形式輸出，所以讀取一次轉換結果要執(zhí)行兩次16位讀操作，第二次讀操作輸出轉換結果的低8位和6個狀態(tài)位。讀取轉換結果后檢測DSP空閑標志位，空閑狀態(tài)將結果寫入Flash對應的地址內，一次工作周期結束后給DSP一個完成信號。開始工作后，DSP將模數(shù)轉換器的配置數(shù)據(jù)寫入外接Flash，給發(fā)射機提供一個脈沖信號控制發(fā)射機的發(fā)射時間，結束后釋放模數(shù)轉換器的同步信號，開始進行回波的采集，采集一次完整的回波信號后，DSP將數(shù)據(jù)全部讀入內部緩存區(qū)，并進行數(shù)據(jù)FIR濾波與處理，然后通過RS422接口發(fā)送給主機進行回波識別。
4結論
通過模塊調試后系統(tǒng)性能達到了預期的要求，AD7760能夠實現(xiàn)預期的多種頻率濾波數(shù)據(jù)輸出，增益0～60 dB可調節(jié)，F(xiàn)PGA的外接時鐘50 MHz，綜合后進行靜態(tài)時序分析，最高工作頻率可以達到242 MHz，滿足時序要求，系統(tǒng)總體功耗在2 W左右。將回波采集模塊加到整機上進行測試，整機工作正常，在多個量程下進行水深實測，均滿足1%的誤差要求，增益范圍可調，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，對比之前設備的采集模塊，簡化了模擬電路部分的設計，提高了精度和性噪比，采樣速率大幅提高，從而提高了整個設備的精度。
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