CN212256073U - 一种基于fpga的多通道数据采集卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的多通道数据采集卡，包括模拟输入通道、信号调理器、A/D转换器、FPGA控制器以及D/A转换器，所述模拟输入通道内设有通道选择电路，所述通道选择电路电连接有信号调理器，所述信号调理器电连接有A/D转换器，所述A/D转换器电连接有FPGA控制器，所述FPGA控制器电连接有D/A转换器，所述FPGA控制器电连接有总线接口。本实用新型在对外接口和总线上增加了新的设计，采用了PCI总线来实现对外部的连接。设计了多种接口形式来完成对外接口，构成多样化的接口形式。

Description

一种基于FPGA的多通道数据采集卡

技术领域

本实用新型涉及一种基于FPGA的多通道数据采集卡。

背景技术

传统的电子测量仪器、测试系统是由“信号采集”、“数据处理与分析”和“处理结果的最终显示”三部分组成。它经历了从模拟化仪器到数字化仪器的转变，且随着现代科学技术和工业生产的不断发展，使得测试项目日益增多，测量范围逐渐扩大，从而对测试系统的精度、速度及功能方面有了更高的要求。这些要求促使我们要不断地改进和完善测量仪器和测试方法，组建自动测试系统，使测试仪器逐步向智能化、自动化和虚拟化发展演变。

基于以上的实际要求和技术发展，电子测量技术和电子测量仪器产生了新的发展，尤其仪器的性能更加优异，测量功能更加强大，仪器的测量精度，测试灵敏度，测量的动态范围等都大到了前所未有的高度。其中，数据采集卡便是其中的一种电子测量仪器，它采集传感器等仪器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将用于被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。

由于不同的数据采集卡具有不同的性能指标，在科学实验或工程测量中如何选择数据采集卡就成了测量的首要任务。数据采集卡结构各部分组成的选择需要考虑的因素很多，所以必须从信号处理的原理和电路原理上来考虑。对于不同情况下的要求，数据采集卡的设计也有着不同的要求，其对于整个硬件电路的搭建以及各部分的选型要求也各有不同，所以目前并没有一个统一的设计。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于FPGA的多通道数据采集卡。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于FPGA的多通道数据采集卡，包括模拟输入通道、信号调理器、A/D 转换器、FPGA控制器以及D/A转换器，所述模拟输入通道内设有通道选择电路，所述通道选择电路电连接有信号调理器，所述信号调理器电连接有A/D转换器，所述A/D转换器电连接有FPGA控制器，所述FPGA控制器电连接有D/A转换器，所述FPGA控制器电连接有总线接口。

进一步，所述通道选择电路的芯片为ADG1407芯片，所述通道选择电路包括连接器、第一级开关、第二级开关和第三级开关，所述连接器分别与所述模拟输入通道和第一级开关相连接，所述第一级开关连接有所述第二级开关，所述第二级开关连接有第三级开关，所述第三级开关连接所述信号调理器。

进一步，所述信号调理器内设有调理电路，所述调理电路包括放大器、信号调理开关和衰减器，所述放大器分别与所述信号调理开关和第三级开关相连接，所述信号调理开关电连接有衰减器，所述衰减器连接所述A/D转换器。

进一步，所述A/D转换器的芯片为AD9689，所述A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，然后输入到FPGA控制器中。

进一步，所述D/A转换器的芯片为AD5547，所述D/A转换器将AD转换后的数字信号转换成电压或电流的模拟信号，将转换后的模拟信号送入执行机构进行控制或调节。

进一步，所述FPGA控制器的芯片为ZYNQ-7010。

进一步，所述总线接口包括接口电路和PCI接口芯片，所述FPGA控制器通过接口电路连接有多个对外接口，所述FPGA控制器通过总线连接有所述PCI接口芯片。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本实用新型为一种基于FPGA的多通道数据采集卡，它具有模拟输入，模拟输出，和数字I/O的功能。

本实用新型采用ADG1407芯片来组成通道选择电路。与基本框图相比， ADG1407是单芯片模拟多路复用器，分别包括16个单通道和8个差分通道，采用它来接收模拟输入，可达到80路模拟输入的效果，且与其它模拟开关相比，它可以承受高电源电压，同时提供更高的性能，更低的功耗和更小的封装尺寸。能够节约PCB板的空间。

本实用新型采用AD9689芯片、AD5547芯片分别组成AD、DA电路。AD9689 是双通道模数转换器(ADC)。该器件内置片内缓冲器和采样保持电路，专门针对低功耗、小尺寸和易用性而设计。支持通信应用，能够实现高达5GHz的宽带宽模拟信号直接采样。AD5547是双通道并行输入数模转换器，其内置的四象限电阻有利于电阻匹配和温度跟踪，使多象限应用所需的元件数量最少。

本实用新型采用资源丰富的ZYNQ-7010系列高性能FPGA来完成总线接口和控制电路。ZYNQ-7010系列将基于ARM的处理器的软件可编程性与FPGA的硬件可编程性集成在一起，实现了关键分析和硬件加速，同时在单个设备上集成了 CPU、DSP、ASSP和混合信号功能。

本实用新型在对外接口和总线上增加了新的设计，采用了PCI总线来实现对外部的连接。设计了多种接口形式来完成对外接口，构成多样化的接口形式。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型中一种基于FPGA的多通道数据采集卡的总体结构图；

图2为本实用新型中一种基于FPGA的多通道数据采集卡的细化结构图；

图3为本实用新型中通道选择电路的结构示意图；

图4为本实用新型中信号调理电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

如图1至图4所示，一种基于FPGA的多通道数据采集卡，包括模拟输入通道、信号调理器、A/D转换器、FPGA控制器以及D/A转换器，所述模拟输入通道内设有通道选择电路，所述通道选择电路电连接有信号调理器，所述信号调理器电连接有A/D转换器，所述A/D转换器电连接有FPGA控制器，所述FPGA 控制器电连接有D/A转换器，所述FPGA控制器电连接有总线接口。

本实用新型所提供的技术方案是：使用A/D转换器完成模拟输入的功能，使用D/A转换器完成模拟输出的功能，使用FPGA控制器完成数字I/O的功能以及各芯片的逻辑控制。具体来说，该数据采集卡主要是由本实用新型的结构框图见图2，主要是由通道选择电路，调理电路，A/D转换器，D/A转换器，FPGA 控制器，以及PCI总线和各种对外接口等组成。选用了多片MUX多路复用芯片，一片AD9689(ADC)，一片AD5547(DAC)，一片AD8250与一片AD8475(组成两级放大)，一片ZYNQ-7010(FPGA)，以及一片PCI9056(PCI接口芯片)和各种接口芯片等芯片来完成各部分电路的搭建。

其中，模拟输入通道：数据采集卡的模拟输入通道也被称为多路转换器 (MUX)，是由一类将模拟信号接通或断开的受控模拟开关构成的。一般采用的是半导体器件构成的无触点式电子模拟开关。通过对模拟开关的控制可以来选择任意通道的开合，从而实现对模拟信号的多路或单路采集功能。

参看图3，进一步，所述通道选择电路的芯片为ADG1407芯片，所述通道选择电路包括连接器、第一级开关、第二级开关和第三级开关，所述连接器分别与所述模拟输入通道和第一级开关相连接，所述第一级开关连接有所述第二级开关，所述第二级开关连接有第三级开关，所述第三级开关连接所述信号调理器。

具体地，本实用新型通过连接器来接收外部的80路模拟输入，第一级开关用5个16选2开关ADG1407对80路模拟输入通道进行分类，根据差分输入模式时有40路将作为PGIA的负端输入，所以将这40路和其余只能作为正端输入的40分为上下两部分。第二级开关用一个16选2开关ADG1407(输出引脚为 DA、DB)对上一级分出的10路信号再一次分类，DA作为上面的40路的输出， DB作为下面40路的输出。第三级开关用2选1开关ADG1419作为最后一级选择 PGIA的正端输入，4选1开关ADG1404选择PGIA的负端输入。这样就将80路模拟输入通过通道选择电路转变成一路正负端输入，输入到调理电路中。

其中，信号调理器：通常数据采集卡自身就带了信调理电路，其主要包括: 增益、偏移和滤波。传感器输入时提供激励电压，输入的模拟信号通过信号调理器，经过放大、滤波之后变成了标准信号，进入采样/保持和AD转换器。

参看图4，所述信号调理器内设有调理电路，所述调理电路包括放大器、信号调理开关和衰减器，所述放大器分别与所述信号调理开关和第三级开关相连接，所述信号调理开关电连接有衰减器，所述衰减器连接所述A/D转换器。

具体地，本实用新型的信号调理电路接收经通道选择电路选择的信号，首先将信号的正负端输入到AD8250进行信号的放大，其中增益的选择由FPGA控制器来控制。再将放大好的信号通过信号调理开关，该信号调理开关为双2选1 开关ADG1436(该芯片是双向的，这里作为双1分2使用)，来选择接下来的衰减器AD8475的衰减系数。最终通过衰减器AD8475来衰减信号，得到调理好的信号后，送入ADC中进行接下来的处理。

进一步，所述A/D转换器的芯片为AD9689，所述A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，然后输入到FPGA控制器中。

AD9689是一款双通道，14位，2.0GSPS/2.6GSPS模数转换器(ADC)。该器件具有片上缓冲器和采样保持电路，旨在实现低功耗，小尺寸和易用性。该产品旨在支持能够直接采样高达5GHz的宽带模拟信号的通信应用。ADC输入的-3dB带宽为9GHz。AD9689经过优化，以小尺寸封装提供宽输入带宽，高采样率，出色的线性度和低功耗。

进一步，所述D/A转换器的芯片为AD5547，所述D/A转换器将AD转换后的数字信号转换成电压或电流的模拟信号，将转换后的模拟信号送入执行机构进行控制或调节。

AD5547是双精度，16位/14位乘法，低功耗，电流输出，并行输入的数模转换器(DAC)。它用于带宽为6.8MHz的4象限输出。内置的四象限电阻器有助于电阻匹配和温度跟踪，从而最大程度地减少了多象限应用所需的组件数量。采用紧凑的38引脚TSSOP封装，可在-40℃至+125℃的温度范围内工作。

进一步，所述FPGA控制器的芯片为ZYNQ-7010。FPGA控制器是采样/保持、 A/D转换器和D/A转换器等电路的核心。它完成采样/保持、AD转换器和D/A转换器的控制功能。根据对采样速率的要求。在高速率数据采集卡中，一般都采用DMA控制方式。同时通过时钟电路来给控制逻辑单元提供时钟，FPGA控制器来控制时钟电路。

进一步，所述总线接口包括接口电路和PCI接口芯片，所述FPGA控制器通过接口电路连接有多个对外接口，所述FPGA控制器通过总线连接有所述PCI接口芯片。总线接口是各种采集卡与PC相连接的方式，目前数据采集卡的接口方式有:PCI、PXI、SCXI、PCMCIA以及USB等。

以上仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的技术特征并不局限于此。任何以本实用新型为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本实用新型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的多通道数据采集卡，包括模拟输入通道、信号调理器、A/D转换器、FPGA控制器以及D/A转换器，所述模拟输入通道内设有通道选择电路，所述通道选择电路电连接有信号调理器，所述信号调理器电连接有A/D转换器，所述A/D转换器电连接有FPGA控制器，所述FPGA控制器电连接有D/A转换器，所述FPGA控制器电连接有总线接口。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道数据采集卡，其特征在于：所述通道选择电路的芯片为ADG1407芯片，所述通道选择电路包括连接器、第一级开关、第二级开关和第三级开关，所述连接器分别与所述模拟输入通道和第一级开关相连接，所述第一级开关连接有所述第二级开关，所述第二级开关连接有第三级开关，所述第三级开关连接所述信号调理器。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的多通道数据采集卡，其特征在于：所述信号调理器内设有调理电路，所述调理电路包括放大器、信号调理开关和衰减器，所述放大器分别与所述信号调理开关和第三级开关相连接，所述信号调理开关电连接有衰减器，所述衰减器连接所述A/D转换器。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道数据采集卡，其特征在于：所述A/D转换器的芯片为AD9689，所述A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，然后输入到FPGA控制器中。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道数据采集卡，其特征在于：所述D/A转换器的芯片为AD5547，所述D/A转换器将AD转换后的数字信号转换成电压或电流的模拟信号，将转换后的模拟信号送入执行机构进行控制或调节。

6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道数据采集卡，其特征在于：所述FPGA控制器的芯片为ZYNQ-7010。

7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多通道数据采集卡，其特征在于：所述总线接口包括接口电路和PCI接口芯片，所述FPGA控制器通过接口电路连接有多个对外接口，所述FPGA控制器通过总线连接有所述PCI接口芯片。

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