基于SAR-ADC的使用FPGA控制AD7656的16位同步采样AD转换系统

2017-12-27 17:28:45 来源:AET电子技术应用
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针对某精密数据采集系统中模拟信号同步采样问题,文章研究了多通道同步模拟信号采集方法,设计了一种基于SAR-ADC、使用FPGA控制的16位同步采样AD转换系统。该系统可实现模拟信号的实时同步采样,同时兼顾多路模拟信号采样频率要求的差异性,最后通过试验测试了该系统的信纳比(SINAD)和有效位数(ENOB)。测试结果表明,该系统具有良好的动态性能指标。
 
0引言
在惯性测量、功率因数校正、电机控制等工业应用场合,系统需要采集同一时刻来自多个传感器的模拟信号,并根据当前的状态进行计算和控制。有时候系统的动态范围可能会很大,要求的采样频率很高,这种情况下如何兼顾系统的快速性和精密性,使之性能最优,是一个较为关键的设计难点。
 
1概述
在实现同步采样的过程中,有多个因素需要考虑,这些因素大多都是与时间及空间相关的。时间是指系统所要求的采样频率,空间是指系统需采集的通道数量。
 
在进行设计时,首先应明确同步采样的通道数,一般相位敏感信号往往需要同步采样,如计算交流瞬时功率P时的电流I和电压V。很多时候并不是所有信号都需要同步采样;其次,需了解采集信号的带宽,信号带宽越大,对转换器的转换时间要求越高;最后,还应明确采样信号的幅值和精度要求,这关系到模拟调理电路和AD转换器电路的设计,幅值过大的信号可能需要电气隔离,由隔离所带来的精度损失应考虑在内。
 
在设计同步采样电路时,往往会用到同步采样ADC,一般的同步采样ADC有两种结构,一种是自带多个采样保持器,内置多路模拟开关和一个AD转换内核,通过采样保持器进行同步采集;另一种是内置多个AD转换内核。实际设计时应根据系统需求、通道个数、采样周期等因素综合确定系统方案。
 
2系统方案
在某同步控制系统中,共有42路模拟量需采集,其中8路模拟量需同步采集。这8路模拟量要求具有100kHz的采样频率,其余的模拟量主要都是缓变模拟量,如温度、压力、指令等,要求采样频率约为1kHz。
 
采用2片AD7656共用的方式构成AD部分,无需同步采集的模拟量通过外置多路开关进行切换,整个电路通过FPGA控制时序,DSP软件设置好采样模式、采样周期、切换周期后,由逻辑管理AD外设,处理器无需等待,只要定时去读寄存器即可,系统架构如图1所示,这里AIN32~AIN42为11路同步采集模拟接口,实际使用了其中的8路。
 
 
3模拟电路设计
AD7656是一款逐次逼近型(SAR)ADC,此类ADC虽然不会在高速和高精度方面做到非常优化,但其往往具有精度、速度、功耗和成本的综合优势。如果要使其发挥较好的模数转换效果,应特别注意电压基准源和模拟调理电路的设计。
 
3.1电压基准源
 
 
SAR型ADC的内部原理简图如图2所示,在采样过程中输入引脚AIN要对内部采样电容充电,而在转化过程中,Vref基准源引脚要对转化电容网络进行充电。
 
SAR-ADC的采样保持和量化过程,也就是对内部电容的充电过程。但需要注意的是,在整个采样量化周期中,SARADC对模拟输入电路只抽取一次电荷,而要从基准源REF中抽取N次电荷(N等于ADC的位数),而且抽取的周期更短(即一个转化时钟的周期)。基准源引脚应设计有储能电容,在转换的过程中,SAR-ADC不断从基准源处抽取电荷,随着电荷的减少,电容电压也在降低,由电容公式C=Q/V可知,电荷电压变化关系如图3所示。
 
  
 
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