王炳文

　　(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

       摘要：針對(duì)某精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模擬信號(hào)同步采樣問(wèn)題，文章研究了多通道同步模擬信號(hào)采集方法，設(shè)計(jì)了一種基于SAR-ADC、使用FPGA控制的16位同步采樣AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)同步采樣，同時(shí)兼顧多路模擬信號(hào)采樣頻率要求的差異性，最后通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了該系統(tǒng)的信納比(SINAD)和有效位數(shù)(ENOB)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：SAR-ADC；同步采樣；FPGA

　　中圖分類號(hào)：TP353文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.009

　　引用格式：王炳文.基于SARADC的精密同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：29-31，34.

0引言

　　在慣性測(cè)量［1］、功率因數(shù)校正［2］、電機(jī)控制等工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)需要采集同一時(shí)刻來(lái)自多個(gè)傳感器的模擬信號(hào)，并根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和控制。有時(shí)候系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì)很大，要求的采樣頻率很高，這種情況下如何兼顧系統(tǒng)的快速性和精密性，使之性能最優(yōu)，是一個(gè)較為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

1概述

　　在實(shí)現(xiàn)同步采樣的過(guò)程中，有多個(gè)因素需要考慮，這些因素大多都是與時(shí)間及空間相關(guān)的。時(shí)間是指系統(tǒng)所要求的采樣頻率，空間是指系統(tǒng)需采集的通道數(shù)量。

　　在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)明確同步采樣的通道數(shù)，一般相位敏感信號(hào)往往需要同步采樣，如計(jì)算交流瞬時(shí)功率P時(shí)的電流I和電壓V。很多時(shí)候并不是所有信號(hào)都需要同步采樣；其次，需了解采集信號(hào)的帶寬，信號(hào)帶寬越大，對(duì)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間要求越高；最后，還應(yīng)明確采樣信號(hào)的幅值和精度要求，這關(guān)系到模擬調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)，幅值過(guò)大的信號(hào)可能需要電氣隔離，由隔離所帶來(lái)的精度損失應(yīng)考慮在內(nèi)。

　　在設(shè)計(jì)同步采樣電路時(shí)，往往會(huì)用到同步采樣ADC，一般的同步采樣ADC有兩種結(jié)構(gòu)，一種是自帶多個(gè)采樣保持器，內(nèi)置多路模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)AD轉(zhuǎn)換內(nèi)核，通過(guò)采樣保持器進(jìn)行同步采集；另一種是內(nèi)置多個(gè)AD轉(zhuǎn)換內(nèi)核。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求、通道個(gè)數(shù)、采樣周期等因素綜合確定系統(tǒng)方案。

2系統(tǒng)方案

　　在某同步控制系統(tǒng)中，共有42路模擬量需采集，其中8路模擬量需同步采集。這8路模擬量要求具有100 kHz的采樣頻率，其余的模擬量主要都是緩變模擬量，如溫度、壓力、指令等，要求采樣頻率約為1 kHz。

　　采用2片AD7656共用的方式構(gòu)成AD部分，無(wú)需同步采集的模擬量通過(guò)外置多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，整個(gè)電路通過(guò)FPGA控制時(shí)序，DSP軟件設(shè)置好采樣模式、采樣周期、切換周期后，由邏輯管理AD外設(shè)，處理器無(wú)需等待，只要定時(shí)去讀寄存器即可，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，這里AIN32~AIN42為11路同步采集模擬接口，實(shí)際使用了其中的8路。

3模擬電路設(shè)計(jì)

　　AD7656是一款逐次逼近型(SAR)ADC，此類ADC雖然不會(huì)在高速和高精度方面做到非常優(yōu)化，但其往往具有精度、速度、功耗和成本的綜合優(yōu)勢(shì)［3］。如果要使其發(fā)揮較好的模數(shù)轉(zhuǎn)換效果，應(yīng)特別注意電壓基準(zhǔn)源和模擬調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。

　　3.1電壓基準(zhǔn)源

　　SAR型ADC的內(nèi)部原理簡(jiǎn)圖如圖2所示，在采樣過(guò)程中輸入引腳AIN要對(duì)內(nèi)部采樣電容充電，而在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，Vref基準(zhǔn)源引腳要對(duì)轉(zhuǎn)化電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充電。

　　SAR-ADC的采樣保持和量化過(guò)程，也就是對(duì)內(nèi)部電容的充電過(guò)程。但需要注意的是，在整個(gè)采樣量化周期中，SARADC對(duì)模擬輸入電路只抽取一次電荷，而要從基準(zhǔn)源REF中抽取N次電荷(N等于ADC的位數(shù))，而且抽取的周期更短(即一個(gè)轉(zhuǎn)化時(shí)鐘的周期)。基準(zhǔn)源引腳應(yīng)設(shè)計(jì)有儲(chǔ)能電容，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，SAR-ADC不斷從基準(zhǔn)源處抽取電荷，隨著電荷的減少，電容電壓也在降低，由電容公式C=Q/V可知，電荷電壓變化關(guān)系如圖3所示。

　　在最壞的情況下，前端基準(zhǔn)源沒(méi)有及時(shí)給這個(gè)電容充電，這就使得轉(zhuǎn)換開(kāi)始到結(jié)束基準(zhǔn)源的電壓已經(jīng)發(fā)生了ΔVref的變化。要使這一變化對(duì)ADC無(wú)影響，就要求ΔVref<1/2 LSB。

　　要滿足這一邊界條件，需要評(píng)估轉(zhuǎn)換過(guò)程中SARADC所需的最大電荷量，這取決于ADC基準(zhǔn)源的最大輸入電流Iref和輸入時(shí)間t。一般最壞情況都是在最高轉(zhuǎn)換速率時(shí)出現(xiàn)的。依據(jù)最大輸入電流和輸入時(shí)間，可得到轉(zhuǎn)換過(guò)程所需的總電荷量，再根據(jù)電容定義公式C=ΔQ/ΔV可推導(dǎo)出電壓基準(zhǔn)源處所需儲(chǔ)能電容的最小值為：

　　為留有一定裕量，進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，可將C取值為Cmin的2倍。

　　如果單獨(dú)的外置基準(zhǔn)源不足以及時(shí)補(bǔ)充AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中消耗的電荷，則要考慮外加運(yùn)放構(gòu)成buffer。這個(gè)buffer不止用來(lái)增大基準(zhǔn)源的驅(qū)動(dòng)電流，其更重要的功能是快速給驅(qū)動(dòng)電容充電。因此要求這個(gè)運(yùn)放既具有足夠高的帶寬和響應(yīng)速率，也要具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

　　在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，設(shè)置AD7656的量程為±10 V，因此1 LSB=FSR/216=306 μV，1/2的LSB則為153 μV。AD7656的最高采樣速率為250 kb/s，所以t=4 μs。由于AD7656的手冊(cè)中并未給出其使用外部基準(zhǔn)源時(shí)的輸入電流指標(biāo)，按照此類ADC一般的指標(biāo)估算，當(dāng)Iref=200 μA時(shí)，可得出C的理論最小值為：

　　最終該容值選定為10 μF。由于板面體積空間的限制，在基準(zhǔn)源方面使用AD7656內(nèi)部集成的電壓基準(zhǔn)源，同時(shí)在基準(zhǔn)源去耦管腳處放置10 μF電容。

　　3.2模擬前端調(diào)理電路

　　模擬前端的調(diào)理電路基本原理如圖4所示，主要包含RC濾波和運(yùn)放。運(yùn)放相當(dāng)于是一個(gè)在信號(hào)源和AIN輸入之間的buffer。RC濾波則提供信號(hào)濾波，同時(shí)消除采樣抖動(dòng)。

　　應(yīng)該注意的是，RC電路用于濾除信號(hào)上的高頻噪聲，因此其濾波帶寬越低越有利于抑制高頻噪聲，但同時(shí)該一階慣性環(huán)節(jié)也會(huì)延長(zhǎng)系統(tǒng)的建立時(shí)間，帶寬越低延遲越大，其時(shí)間常數(shù)如式(3)所示。

　　T=R×C(3)

　　為避免該環(huán)節(jié)過(guò)渡過(guò)程對(duì)后端AD轉(zhuǎn)換器的影響，應(yīng)保證AD采樣時(shí)刻該環(huán)節(jié)輸出誤差在1 LSB之內(nèi)，這就與系統(tǒng)需達(dá)到的分辨位數(shù)有關(guān)。表1給出了系統(tǒng)需達(dá)到的位數(shù)與延遲T的關(guān)系。從表中可見(jiàn)要達(dá)到16位的精度，至少需要11倍T的時(shí)間才可以［4］。所以當(dāng)采樣周期較短時(shí)RC帶寬不能太低，要保證AD采樣時(shí)有足夠的建立時(shí)間。

　　ADC內(nèi)部進(jìn)行模擬信號(hào)采樣時(shí)，會(huì)瞬間抽取模擬通道的電荷，產(chǎn)生采樣抖動(dòng)，RC電路中的C可用于抑制這種抖動(dòng)，這要求C具有一定的儲(chǔ)能特性，容量應(yīng)較大(nF級(jí))。同時(shí)采用無(wú)源RC時(shí)應(yīng)考慮R對(duì)信號(hào)的分壓作用，所以R應(yīng)盡量小，但如果R過(guò)小，則可能引起前端運(yùn)放的不穩(wěn)定。可見(jiàn)RC電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)均衡考慮各種指標(biāo)的過(guò)程。最終按AD7656理論最高采樣周期4 μs來(lái)計(jì)算，R選為33 Ω，C選為10 nF。

4數(shù)字接口設(shè)計(jì)

　　為兼顧系統(tǒng)中的同步采集模擬量和其他模擬量對(duì)采樣頻率要求的差別，同時(shí)避免DSP直接操作AD轉(zhuǎn)換器和模擬多路開(kāi)關(guān)的等待時(shí)間，在系統(tǒng)中通過(guò)FPGA對(duì)2片AD7656進(jìn)行接口時(shí)序控制，同時(shí)FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)有控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，DSP設(shè)置好采集模式后只需按時(shí)直接讀取數(shù)據(jù)寄存器即可。采集模式設(shè)計(jì)為單次采集和周期采集兩種。單次采集模式主要用于單路測(cè)試，周期采集模式用于應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)控制。FPGA邏輯主要包含兩個(gè)狀態(tài)機(jī)：多路開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)機(jī)和同步采集狀態(tài)機(jī)。切換周期和同步采樣周期均通過(guò)軟件設(shè)置。FPGA邏輯的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

　　圖5左邊為多路開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，右邊為AD采樣狀態(tài)圖，由于各個(gè)信號(hào)源阻抗各不相同，且模擬多路選擇器具有一定的固有延遲，因此多路開(kāi)關(guān)每切換一次的建立時(shí)間有所差別，經(jīng)測(cè)量，信號(hào)中最長(zhǎng)建立時(shí)間約為40 μs，但需同步采集的模擬量又要求至少每10 μs采集一次。因此，在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)第1路AD采集結(jié)果應(yīng)考慮多路開(kāi)關(guān)的延遲狀態(tài)，在采集過(guò)程中，建立時(shí)間不足40 μs的第1路AD采集數(shù)據(jù)將被丟棄，此時(shí)該路對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器不更新數(shù)值，在FPGA中，通過(guò)信號(hào)量實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的傳遞。在實(shí)際使用時(shí)將多路開(kāi)關(guān)切換周期設(shè)置為100 μs，AD采樣周期設(shè)置為10 μs。

5實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

　　由于該AD轉(zhuǎn)換電路主要用于采集AC信號(hào)，因此用戶最為關(guān)心的是該電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。一般用于定量表示AD轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)性能的常用指標(biāo)有6個(gè)，分別是SINAD、SNR、ENOB、THD、THD+N、SFDR等［5］。其中SINAD(信納比)很好地反映了ADC的整體動(dòng)態(tài)性能，因?yàn)樗ㄋ袠?gòu)成噪聲和失真的成分，同時(shí)ENOB(有效位數(shù))也十分重要，它最直觀地反映了ADC的轉(zhuǎn)換質(zhì)量。

　　根據(jù)N位ADC的理論SNR計(jì)算公式(SNR=6.02 N+1.76 dB)，將SINAD帶入換算可得到ENOB,如式(4)所示:

　　一般測(cè)試動(dòng)態(tài)指標(biāo)的方法是采用固定幅值的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)接入AD轉(zhuǎn)換電路，在不同激勵(lì)頻率下對(duì)采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析。需要注意的是，這種分析方法存在的缺點(diǎn)是容易造成頻譜泄漏，因此需要選擇合適的窗函數(shù)使信號(hào)截?cái)噤J角鈍化，可采用加hanning窗的方法［6］。

　　由于采樣頻率最高時(shí)SINAD指標(biāo)最差，因此進(jìn)行測(cè)試時(shí)采樣頻率按照系統(tǒng)使用的最大采樣頻率100 kHz進(jìn)行測(cè)試。

　　在常溫實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用HP公司出品的HP33120a型信號(hào)發(fā)生器，發(fā)出5 Vpp標(biāo)準(zhǔn)正弦波激勵(lì)被測(cè)通道。為降低FFT點(diǎn)數(shù)帶來(lái)的噪底，利用板上256 KB容量NVRAM的存儲(chǔ)功能，將采樣點(diǎn)數(shù)取為218個(gè)。采用ADI公司的Visual Analog分析工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)10次測(cè)量，其平均SINAD為76.4 dB，ENOB為12.4。由此可見(jiàn)，由于同步開(kāi)關(guān)噪聲、電源去耦等原因?qū)е翬NOB指標(biāo)較為一般。這一指標(biāo)在工程上屬可接受范圍，如進(jìn)一步改進(jìn)可考慮使用高精度、高穩(wěn)定度的外部基準(zhǔn)源代替ADC內(nèi)部基準(zhǔn)源，同時(shí)在電源去耦［7］、PCB走線等方面繼續(xù)優(yōu)化。

6結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)多路模擬量的同步采集問(wèn)題，本文研究了SAR型ADC的設(shè)計(jì)要點(diǎn)之后設(shè)計(jì)了一種使用FPGA控制AD7656的16位同步AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)同步采樣，F(xiàn)PGA的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)兼顧了同步采集量和非同步采集量的采集，可避免處理器過(guò)多的操作和等待外設(shè)。經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，目前已在工程中應(yīng)用，達(dá)到了多路同步精密實(shí)時(shí)采樣的效果。

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