FPGA數(shù)字變換器控制電路設(shè)計(jì)攻略 —電路圖天天讀（102）

　　在飛行器發(fā)射試驗(yàn)中，常用遙測(cè)系統(tǒng)獲取其內(nèi)部各系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，為評(píng)定飛行器的性能及故障分析提供依據(jù)。數(shù)字量變換器作為遙測(cè)系統(tǒng)彈上的重要設(shè)備，它的主要功能是控制接收彈上的各種飛行參數(shù)。變換器性能的優(yōu)劣將直接影響遙測(cè)結(jié)果，對(duì)飛行器研制和試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試產(chǎn)生很大影響，將關(guān)系到飛行器試驗(yàn)的成敗和以后飛行器性能的改進(jìn)和提高。在飛行器的研制過(guò)程中，多次試驗(yàn)和考核是非常重要的。對(duì)數(shù)字量變換器做出準(zhǔn)確、客觀、可靠地評(píng)價(jià)是其生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而這一環(huán)節(jié)只能由變換器測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成?？删幊踢壿嬈骷?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA）以其高速、可重構(gòu)、設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)費(fèi)用低、I/O 引腳和內(nèi)部資源豐富的等優(yōu)點(diǎn)，在近代測(cè)試系統(tǒng)中贏得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文以FPGA 為邏輯控制中心設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)，主要是對(duì)數(shù)字量變換器進(jìn)行單元測(cè)試，在其實(shí)際研制和調(diào)試過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，按照技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊，通過(guò)各模塊之間的協(xié)調(diào)配合完成系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、USB 芯片F(xiàn)T245、兩片FPGA、輸出電源電壓控制模塊、計(jì)算機(jī)字信號(hào)發(fā)送模塊、勤務(wù)信號(hào)發(fā)送模塊、計(jì)算機(jī)字?jǐn)?shù)碼與指令數(shù)碼接收模塊和指令信號(hào)發(fā)送模塊組成。模塊化設(shè)計(jì)能夠使在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和硬件編程時(shí)，簡(jiǎn)單、快速的定位并解決問(wèn)題。

　　硬件電路選用XILINX 公司的XC3S200-208和XC2S100-208兩片F(xiàn)PGA 作為系統(tǒng)的邏輯控制中心，其中XC3S200-208作為主控芯片，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的命令接收和判斷，進(jìn)而產(chǎn)生和發(fā)送計(jì)算機(jī)字信號(hào)，接收計(jì)算機(jī)字?jǐn)?shù)碼和指令數(shù)碼并編幀、上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)；XC2S100-208作為從控制芯片，完成128路指令信號(hào)的發(fā)送；兩片F(xiàn)PGA 之間采用串行通信的方式發(fā)送控制命令來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊。另外，通過(guò)上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)向系統(tǒng)發(fā)送復(fù)位或停止命令，這樣能夠減少硬件的功耗并提高測(cè)試系統(tǒng)的工作效率。

　　USB 接口模塊實(shí)現(xiàn)

　　USB 具有成本低、通用性好、連接簡(jiǎn)單、支持熱拔插等特點(diǎn)，而從系統(tǒng)實(shí)際的速率傳輸要求出發(fā)，設(shè)計(jì)采用通用USB 接口芯片F(xiàn)T245BM 實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。FT245BM 主要的功能是在內(nèi)部邏輯的作用下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串/并雙向轉(zhuǎn)換，它的最大傳輸速率可以達(dá)到M/s.FT245BM 免去了復(fù)雜的固件編程及驅(qū)動(dòng)程序的編寫，能夠簡(jiǎn)化USB 的接口設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

　　FT245BM 的8位數(shù)據(jù)線D7~D0、讀信號(hào)RD、寫信號(hào)WR、發(fā)送使能TXE、接收數(shù)據(jù)完畢信號(hào)RXF 與FPGA 連接，來(lái)完成兩者的通信。計(jì)算機(jī)通過(guò)應(yīng)用程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的有效配合將控制命令信號(hào)發(fā)送到FT245BM，F(xiàn)PGA 利用與之相連的I/O 口接收下發(fā)的控制命令或是發(fā)送上傳的測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　輸出電源電壓控制模塊實(shí)現(xiàn)

　　由于需要為被測(cè)數(shù)字量變換器提供3檔工作電壓25V、28V、31V，在電源模塊輸出端連接三種不同阻值的電阻，就可以實(shí)現(xiàn)3種電壓的切換，實(shí)現(xiàn)控制的電路如圖3所示。

　　圖中VCON+，VCON-為電源模塊的輸入電壓，R25、R26、R27三組電位器用來(lái)調(diào)節(jié)電阻。25VCON、31VCON 分別與FPGA 的I/O 相連，是FPGA 給出的控制信號(hào)，電路中三極管的作用是利用其電流放大來(lái)增加信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。通過(guò)FPGA 對(duì)控制命令的判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)3檔電壓的控制。此外，系統(tǒng)的默認(rèn)及復(fù)位的輸出電壓為28V。

　　計(jì)算機(jī)字信號(hào)發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)

　　由于要求計(jì)算機(jī)字和移位脈沖的幅值都為8~10V，所以電路中采用運(yùn)算放大器電路對(duì)FPGA 輸出的信號(hào)進(jìn)行放大來(lái)獲取所需幅值的信號(hào)。計(jì)算機(jī)字信號(hào)發(fā)送電路如圖4所示。

　　為了滿足輸出信號(hào)的精度和電流驅(qū)動(dòng)能力的要求，本模塊中采用AD 公司的運(yùn)放AD811來(lái)設(shè)計(jì)電路。此運(yùn)算放大器是高速運(yùn)放，采用雙電源供電，2500V/us 是其最高轉(zhuǎn)換速率，具有較低的電流、電亞噪聲。設(shè)計(jì)中采用同相放大電壓串聯(lián)型負(fù)反饋電路，輸出電壓穩(wěn)定并且反饋效果好。電路中R83的接地是為了盡量減小由于偏置電流引起的電壓失調(diào)，其阻值等于R22和R60的并聯(lián)阻值，為R22//R60=666Ω。

　　勤務(wù)信號(hào)發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)

　　計(jì)算機(jī)字信號(hào)和指令信號(hào)都有相應(yīng)的勤務(wù)信號(hào)來(lái)滿足時(shí)序要求，一般勤務(wù)信號(hào)就是指幀、碼同步信號(hào)，對(duì)其他信號(hào)的產(chǎn)生和接收起到時(shí)序基準(zhǔn)同步的作用。指令勤務(wù)信號(hào)的電路原理如圖5所示。計(jì)算機(jī)字勤務(wù)信號(hào)與其原理相同。根據(jù)系統(tǒng)的信號(hào)輸出要求，即幀、碼同步信號(hào)的幅值和電流驅(qū)動(dòng)能力的要求，采用非門芯片SN5405J 作為驅(qū)動(dòng)電路來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。

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　　數(shù)碼接收模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)需要接收經(jīng)變換器處理之后的信號(hào)，變換器以數(shù)碼方式回傳給測(cè)試系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)數(shù)碼和指令數(shù)碼，兩者的接收原理相同。設(shè)計(jì)采用光耦隔離的方式對(duì)數(shù)碼信號(hào)進(jìn)行接收，其電路原理圖如圖6所示。

　　光電耦合器采用TI 公司的HCPL-2631，它具有電絕緣能力和抗干擾能力，并且能有效的抑制各種噪聲和尖峰脈沖干擾。它的兩個(gè)輸入端分別接收計(jì)算機(jī)字?jǐn)?shù)碼和指令數(shù)碼，其中在光耦輸入端連接的二極管作用是用來(lái)防止信號(hào)反跳造成內(nèi)部二極管燒壞。

　　指令信號(hào)發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)

　　指令信號(hào)是指一種斷開或閉合的開關(guān)量信號(hào)。此模塊的128路指令信號(hào)全部采用光耦繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)參數(shù)要求選擇AQY210作為控制開關(guān)的器件，它的特點(diǎn)是耐高壓，反應(yīng)速度快，使用時(shí)間長(zhǎng)。其單路指令信號(hào)發(fā)送電路原理如圖7所示。

　　由由于指令信號(hào)的路數(shù)比較多，如果FPGA 的I/O 口輸出直接驅(qū)動(dòng)AQY210，勢(shì)必會(huì)增加FPGA 的功耗。因此采用三極管對(duì)FPGA 的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大來(lái)提高控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。本設(shè)計(jì)采用NPN 型三極管3DK103，圖中3order1是FPGA 的輸出信號(hào)，其為‘0’時(shí)，三極管截止；其為‘1’時(shí)，三極管處于電流放大，流經(jīng)光繼電器發(fā)光管的電流13mA 足以使AQY210導(dǎo)通。

　　測(cè)試系統(tǒng)充分利用FPGA 強(qiáng)大的內(nèi)部邏輯功能和與外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到系統(tǒng)的測(cè)試功能。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)字量變換器的聯(lián)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)各項(xiàng)的輸出，對(duì)數(shù)字量變換器的性能做出權(quán)衡性的檢測(cè)。
電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)分析：

　　本文以FPGA 為控制核心，開展數(shù)字量變換器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)通過(guò)USB 實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，能夠產(chǎn)生計(jì)算機(jī)字信號(hào)及相應(yīng)移位脈沖信號(hào)、勤務(wù)信號(hào)和128路指令信號(hào)，并能接收經(jīng)過(guò)數(shù)字量變換器變化后的計(jì)算機(jī)數(shù)碼和指令數(shù)碼信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)能夠完成對(duì)數(shù)字量變換器各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)試系統(tǒng)精度及可靠性高、實(shí)時(shí)性好，已經(jīng)成功應(yīng)用于某遙測(cè)系統(tǒng)中。
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