基于FPGA的多通道信号源设计与实现

基于 FPGA的多通道信号源设计与实现

赵炎

陕西长岭电子科技有限责任公司 陕西省宝鸡市 721006

摘要：为了能够对信号源的质量和灵活性进行控制，需要做好多通道信号源的设计与实现。时钟电路采取外部时钟输入和内部频综输入这两种输入方式，保证了信号源质量、灵活性和可靠性。实现了频率范围为DC-1．25GHz的宽带信号源设计。利用Chipscope进行调试，连接频谱仪观察现象，测试结果表明该信号源具有精度高、灵活性强、频率响应速度快和杂散少等优点，并在实际工程中取得优异的效果。本设计在实际工程中有很高的应用价值。

关键词：FPGA；多通道；信号源；设计与实现

1.系统设计

本设计采取两种时钟输入方式：外部时钟输入和内部频综输入。两者分别为DAC芯片提供稳定的参考时钟，外部时钟输入为2.5GHz，内部频综由ADF4350芯片提供，该芯片外部参考时钟为50MHz，用户可通过操作Chipscope选择相应的时钟。时钟经过SY58030多路复用器后输出到两片超快型时钟/数据缓冲器ADCLK914，经过缓冲后的时钟再分别送给两片D/A芯片。利用FPGA调用DDS核产生数据，并以低压差分信号（LVDS）模式输出，送入到AD9739芯片，AD9739实现数字波形数据转换，输出一定频率的模拟信号^[1]。FPGA与D/A模数转换芯片采用标准FMC物理方式连接，进行数据和时钟的传输。FMC-DAC子卡原理框图如图1所示。

图1FMC-DAC子卡原理框图

2.硬件电路设计

2.1数据通信模块

传统的数据与上位机的传输实现方式为PCI接口方式，但PCI受到计算机插槽数量、地址、中断资源限定，可扩展性差，因此，本系统采用以太网接口芯片W5300来实现上位机与硬件电路的网络通信。该方式传输速度快，稳定性和可靠性高。W5300内部集成了10/100M以太网控制器、MAC和TCP/IP协议栈，FPGA通过十六位数据总线对芯片进行配置。而背板在系统中实现“路由”的功能，接收上位机下发的命令，FPGA解析命令并通过ＲS422接口将信息发送给模拟量板^[2]。ＲS422接口采用DS26C31作为发送芯片将TTL/COMS电平转化为差分信号发送给接收端，DS26C32作为接收芯片将差分信号转化为TTL/COMS信号传送到模拟量板的FPGA芯片中，为了尽可能实现接收和发送端的阻抗匹配，在ＲS422接口电路的接收端设计有120Ω的反射电阻，从而抑制反射干扰现象。同时背板连接电源模块给模拟量板供电。

2.2模拟信号模块

2.2.1隔离电路设计

为了保证模拟信号和数字信号相互隔离，设计了隔离电路，如图2所示。其中ADuM1400采用4通道数字隔离器，采用5V供电，将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术结合，其最大转换速率为110Mbit/s，相较于传统的光耦器件，具有功耗低、速度快、瞬态抑制能力强以及可靠性高的优势。为了将模拟部分和数字部分互相隔离，隔离器两端采用不同的供电和接地，数字端采用3.3V和数字地DGND，模拟端采用A5V和模拟地A1GND。

2.2.2D/A转换电路设计

合理选择DAC转换器在系统功能实现的过程中非常重要。为了保证输出波形精确度的要求，选择具有12位分辨率高精度的AD5628作为D/A转换芯片。该芯片低功耗，采用2.7～5.5V单电源供电，单通道串行写入，8通道并行输出，且自带锁存功能，相较传统的模拟开关进行通道选择，通过软件编程进行通道选择的方法更为方便，并且可以节省FPGA的I/O资源。本系统选用AD5628－2，AD5628－2内置一个2.5V、5ppm/℃基准电压源，内部增益为2，满量程输出范围可达5V。内部基准电压源上电时自动关闭，可以采用外部电压源，实际中我们采用内部电压源，内部基准电压源通过软件写入使能。

2.2.3放大电路设计

为了满足前24路和后24路不同的幅值要求，选择运放芯片时需要考虑供电范围。前24路电压幅值要求为0～15V，选择OPA4234运放芯片，该芯片采用－18～18V供电，采用同相放大电路，放大倍数为1+Ｒ151/Ｒ150，在实际电路中通过选取不同的Ｒ151和Ｒ150来实现所需要的电压放大。本设计选取Ｒ151=5．1kΩ，Ｒ150=1kΩ，放大倍数为6.1，电压输出范围为－15．25～+15．25V，电路设计如图7所示。后24路输出电压幅值要求为－35～+35V，选择OPA454运放芯片，采用－45～45V的电压供电，实际电路中选取Ｒ₂=15kΩ，Ｒ₁=1kΩ，在输出端有阻容电路来进行滤波，并且有阻抗匹配的作用，提高了信号的精度^[3]。

3.软件设计

FPGA完成所需IP核的调用、AD9739芯片的配置、时钟芯片的配置，以及存储器的初始化和数据的加载等。AD9739在基带模式下具备宽带射频输出能力，采用的是基带模式。AD9739需要配置的寄存器内容较为复杂，这里仅做简要介绍。通过SPI接口向AD9739内部的寄存器写入相应的用户设定值，上电，复位并初始化MU寄存器、工作模式寄存器、数据接收寄存器等。通过控制延迟锁相环优化数字和模拟接口实现数字和模拟两个时钟通道的配合，确保了数字模拟转换的速度和正确性。通过设置DCI采样窗口和Ｒx控制器，保证了DCI上升沿的中点对应数据眼的中心。

结束语

本文是以FPGA和AD5628为硬件平台，通过上位机对信号的幅值、路数进行设置，采用程控调幅的方法使信号源系统具有速度快、通用性强的特点，将上位机软件和以太网技术巧妙结合实现了48路直流信号的并行输出，试验结果表明各路输出信号稳定性好，精度高。同时作为激励源，信号源向被测系统提供所需要的模拟信号，满足了测量需要。

参考文献

[1]樊刘华，彭旭锋，张跃林，等．基于双通信接口的多通道信号源设计［J］．电子器件，2017，40(4):833－837．

[2]黄江鹏，崔永俊．基于FPGA和AD5628多通道信号源的设计与实现［J］．电视技术，2014，38(5):62－65．

[3]张昊．基于PCI总线的外系统等效器的设计与实现［D］．太原：中北大学，2014．

作者简介：

赵炎，1987.08.07，男，汉族，河南南阳人，大学本科。主要研究方向：信号处理与FPGA。