基于FPGA的电压信号采集卡研究

李 东，崔文超，郭瑞民，董贺伟

(中国计量科学研究院环境计量中心，北京 100029)

0 引言

数据采集系统是信息处理系统的重要组成部分[1]，其通常由模数转换器(analog to digital converter，ADC)和控制芯片组成。ADC决定了采样率和分辨率，控制芯片为ADC提供驱动时钟并接收ADC的采集数据。传统数据采集系统多采用单片机或数字信号处理芯片(digital signal processing，DSP)作为控制芯片[2-3]。单片机或DSP芯片提供的时钟速率较低，限制了ADC的采集上限。除此之外，采用单片机或DSP芯片进行数据采集，成本较高。近年来，现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)芯片由于其内部逻辑电路独特的可编程性，有效降低了研发成本，被广泛用作数据采集的控制芯片[4-6]。FPGA片上资源不受固化模块的占用，可被各个功能模块调用，灵活性高。

本文设计了一种基于FPGA的高速模拟信号触发采集系统，其电路部分主要由2片A/D芯片、1个FPGA芯片和1个USB通信芯片组成。研究中，通过时序设计控制2片A/D交替工作，并将采集数据存储到DDR2中，采集结束后由USB通信芯片传输到计算机(PC)。该采集系统分辨率为12位，采样率最高达到130 Msps，可应用在μs量级、0～5 V瞬时电压信号的采集。

1 采集触发装置设计

1.1 硬件电路设计

本文研究的数据采集系统电路原理图如图1所示，主要包括模拟信号调理电路、A/D转换电路、FPGA控制模块、USB通信电路和延时触发电路。

图1 数据采集系统电路原理图

模拟信号调理电路主要由运放AD8065和比例放大偏置电路组成，将0～5 V的输入电压转换为1～3 V电压，以满足A/D输入端的输入范围。模数转换电路主要包括2个模数转换器AD9226，其分辨率为12位。……