基于FPGA的超声数据采集装置的设计与实现.doc
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1、基于FPGA的超声数据采集装置的设计与实现摘要:为了实现对某航天器在地面及飞行过程中的超声数据进行高精度、高速采集的功能,根据测量系统的技术要求,设计数据采集装置的硬件电路和时序控制逻辑。为了满足恶劣的环境测试要求,设计采用高速、高精度、宽温度范围的THS1408模数转换器。选取高速运放AD8028 进行信号调理,以FPGA 作为逻辑控制器,控制THS1408 进行模数转换。经测试,采集精度优于0. 5%,满足实际工程需要,具有很高的可靠性,已成功应用于该测量系统。随着数字化技术不断深入的今天,数据采集技术已经成为信号处理过程中的重要环节。数据采集技术已经广泛应用于雷达、声纳、瞬态信号测试、无
2、线探伤、航空、航天等诸多领域1-2 。随着数据采集技术应用的不断加深,不仅对数据采集装置的采集精度、采集速度和数据量有了更高的要求,还要求数据采集装置能够在恶劣环境条件下可靠的工作3 。而模数转换芯片性能的优劣对数据采集会产生最直接的影响,因此,本设计在实际应用的背景下,根据测量系统的技术要求,通过合理的选取高速、高精度、宽温度范围的THS1408 模数转换器,优化数据采集装置的电路设计和时序设计,以实现超声数据采集装置的功能。1 整体设计方案超声数据采集装置的整体设计框图如图1 所示。输入的超声信号是经过传感器转换过的电压模拟信号(0 5 V),电压信号经过传感器信号输入接口进入信号调理电路
3、, 调理后的输入信号经过THS1408 前的单端转差分电路后转换为差分信号,THS1408 在FPGA 芯片的逻辑控制下,将差分信号进行模数转换,模数转换后的数字量经过内部程序进行数据处理后缓存入外部FIFO 中,再将FIFO 中的有效数据编帧、存储在16 Gflash 存储阵列中。超声数据采集装置通过总线接口进行板间通信:接收上位机指令,上传数据和装置状态。测量系统要求超声数据采集装置的单通道采样率为5 Msample/ s,分辨率为12 位,采样精度小于0.5%,保留8 位有效数据位,采集装置的工作温度范围为-50125 ,模数转换芯片功耗小于500mW。为了满足超声数据采集装置的技术指标
4、,设计选用了德州仪器的THS1408 模数转换器,THS1408 具有以下功能特点:(1)采样速率高:3 Msample/ s 8 Msample/ s 采样率;(2)工作温度范围宽:-55 125 ;(3)功耗低:典型功耗为270 mW,最大功耗为360 mW;(4)14 位分辨率;(5)差分输入接口;(6)可编程输入增益;(7)单电源供电;(8)片内集成高性能的采样保持放大器和参考电压源。THS1408 在宽温带、强振动的环境下,能够满足测量系统的技术要求,且具有很好的性价比和功耗/速度比4 。THS1408 的采样内核采用的是一个延时9. 5 个采样周期的循环采样结构,信号开始采样后的9
5、. 5个时钟周期后,转换结果开始输出,THS1408 采用具有三态缓冲的并行数据接口,可以直接连接到数据总线接口,通过驱动OE 为低可以将数据输出使能,使得电路设计更加简单。采样时序如图2 所示。时钟频率为5 MHz,时钟上升沿采样,下降沿输出数字量,数据输出延时td =25 ns。超声采集电路主要由两部分组成:信号调理电路、单端转差分电路和模数转换电路。电路原理图如图3 所示,信号调理电路的功能是对输入信号进行运放跟随调理以及接口保护,R13 为接口保护电阻,单端转差分电路将输入信号转为差分信号,满足THS1408 转换的输入信号要求,模数转换电路为:FPGA 芯片控制THS1408 完成模
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- 关 键 词:
- 基于 FPGA 超声 数据 采集 装置 设计 实现
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