焦新泉，胡曉捷，賈興中

（1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

隨著遙測信號要求的不斷提升，對于高精度電壓信號的要求也隨之不斷提高，針對以往電量信號精確度低[1]、穩(wěn)定性差等特點，設(shè)計高精度電量信號輸出卡顯得尤為重要。

電壓信號對于模擬彈上信號十分關(guān)鍵，因此根據(jù)以往設(shè)計輸出8 路電量信號卡穩(wěn)定性差、精度低等特點。該文設(shè)計不僅實現(xiàn)了32路信號輸出，同時采用了高壓運放，實現(xiàn)了高電壓信號的高質(zhì)量輸出。通過光電耦合器使輸出電壓信號進行自檢，確保了輸出信號的可靠性。對于設(shè)備自身來說，輸出信號的自檢有著重要的作用，自檢功能增強了輸出信號的可信度，方便在聯(lián)試時快速定位問題的根源，確認自身設(shè)備是否存在問題，對于電量信號輸出卡是一個新的突破點。

1 總體方案設(shè)計

根據(jù)任務書所提的設(shè)計要求，控制器需要精確地采集32 路模擬彈上電池電壓為-70～70 V 的電壓信號。所以電量信號輸出卡輸出電壓信號的精確度越高，對于控制器采集到的模擬信號越具有價值。出于項目實際性需求，該文設(shè)計采用了Xilinx 公司的高可靠性FPGA 作為板卡的核心器件來控制整個電路的工作，型號是XC7A100T-FGG484，具有101 440 個邏輯單元，數(shù)據(jù)傳輸速率為6.25 Gb/s。

秉著輸出高精度電壓信號[2]的設(shè)計核心，上位機通過PCI 數(shù)據(jù)總線與FPGA 進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)通過16 位的高精度DA 以及信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化電壓信號輸出；輸出的電壓信號通過信號調(diào)理電路以及AD 轉(zhuǎn)換后將信號傳遞給FPGA。上位機下發(fā)自檢指令，通過比較上位機的自檢電壓值與萬用表測得的輸出電壓值，測試得出自檢電壓精度[3]達到±0.14%，電量信號輸出卡總體框圖如圖1 所示。

圖1 電量信號輸出卡總體框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊設(shè)計選用Vicor的隔離式DC-DC電源模塊，電源模塊的輸入電壓為12 V，輸出電壓為±75 V，實現(xiàn)了高電壓供電，同時電源模塊發(fā)熱量較小，對于整個測試設(shè)備來說降低了損耗。

市電220 V 電壓通過機箱背板轉(zhuǎn)換為12 V 向電量信號輸出卡供電，通過采用Vicor 公司的高性能電源，將12 V電壓轉(zhuǎn)換為±75 V為高壓運放供電。根據(jù)芯片手冊所提供的資料得出，在輸出電壓Trimming up過程中需要在Sense 端口與Trim 端口接調(diào)試電阻。通過公式計算得出需要接入的調(diào)試電阻為6.8 MΩ。同時在電路設(shè)計過程中需要在電源輸入端與輸出端接電容[4]，電容起到一定的穩(wěn)壓作用，而且防止了其他雜波對輸出電源的干擾。

電容的耐壓值也是需要考慮的因素，電容耐壓值的40%～60%是輸入或輸出電壓；否則會由于電容耐壓值不夠而導致電容被擊穿。該文設(shè)計過程中選用了開關(guān)電源，開關(guān)電源工作在開關(guān)狀態(tài)，效率遠遠高于線性電源。在電源測試過程中需要外界負載，否則會導致無法準確地測試輸出電壓值[5]。電源模塊電路圖如2 所示。

圖2 電源模塊電路圖

2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換過程

任務書對于電量信號輸出卡的輸出電壓精度要求是±0.16%，因此在設(shè)計過程中使用分辨率較高的DAC 芯片，在電壓信號輸出的電路中DA 的轉(zhuǎn)換過程對于輸出電壓的精度至關(guān)重要[6]，所以在DAC 芯片選用過程中，理論上位數(shù)越高，精度就越高。設(shè)計中，采用LINER 公司的單通道電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器的型號是LTC2642，LTC2642 是16 位無緩沖的輸出電壓DAC，為了提高輸出精度，在電路中設(shè)計電容器提供高頻旁路。REF 和GND之間附加的4.7 μF 電容提供了旁路電容。

同時為了進一步提高輸出電壓的精度，通過改變印制電路板的設(shè)計來提高輸出電壓精度，設(shè)計電路板時，嚴格區(qū)分模擬區(qū)域和數(shù)字區(qū)域[7]，分區(qū)域布置電路板，采用單點接地的方式防止共地環(huán)路影響模擬信號的測量精度。

2.3 雙極性高電壓輸出電路設(shè)計

16 位DAC 實現(xiàn)了電量信號輸出卡數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，DAC 輸出的電壓值為±2.5 V，通過精密、低功耗、四通道的AD824 實現(xiàn)電壓信號的穩(wěn)定，經(jīng)過信號調(diào)理電路后輸出-70～+70 V[8]。信號調(diào)理電路原理是數(shù)字信號經(jīng)過DAC 后輸出±2.5 V 的電壓信號，將±2.5 V 的電壓信號傳遞給高壓運放ADHV4702-1。U2 起到了信號的放大作用，U2 的電壓放大倍數(shù)公式如下：

經(jīng)過放大后，輸出電壓為-70～+70 V。同時電容C5、C6接在±12 V 的電源上，起到濾波和抗干擾的作用；SD 引腳與TMP 引腳之間需要串聯(lián)一個200 Ω的電阻，對高壓運放起到短路保護的作用。

高壓運放采用的是ADI 的精密運算放大器ADHV4702-1，ADHV4702-1 是一款供電電壓可達220 V、單位增益穩(wěn)定的運算放大器，同時具有170 dB的典型開環(huán)增益和160 dB 的共模抑制比（CMRR），可以很好地抵抗外界共模干擾信號對電路的影響，在輸出電路中接了200 Ω的電阻，對輸出電路起到保護作用，防止瞬態(tài)電流導致對方設(shè)備燒壞。同時，考慮到項目整體的可靠性，對方設(shè)備在對接接口電路中應當設(shè)計接口保護電路。雙極性模擬量信號輸出調(diào)理電路如圖3 所示。

圖3 雙極性模擬量信號輸出調(diào)理電路

2.4 采樣保持電路

電量信號輸出卡輸出32 路電壓信號[9]，在電路設(shè)計過程中，每路輸出均采用模擬多路復用器會導致電路復雜化、PCB 板卡設(shè)計工作量較大。因此為了簡化電路設(shè)計，采用AD 公司的16 通道的模擬多路復用器ADG1606，ADG1606 將16 個輸入中的一個切換到一個公共輸出，在模擬多路復用器輸出端接運放AD824，在設(shè)計中運放AD824 作為電壓跟隨器，它的作用是保持電路的輸入電壓與輸出電壓幾乎相等，起到隔離和緩沖的作用，運放輸出端電阻為51 Ω，防止電路上電瞬間電流過大，造成對方設(shè)備的損壞[10]。

采樣保持電路的設(shè)計直接決定了自檢精度的大小，如果模擬開關(guān)沒有完全切換，輸出時電容C10兩端電壓出現(xiàn)掉電情況，會導致自檢電壓值存在較大誤差，導致自檢電壓精度遠遠大于0.14%。所以采樣保持時間應該大于開關(guān)切換時間[11]。充放電時間公式如下：

電容完全充滿時間接近無窮大，當T=5RC時，電容電壓等于0.99E。由此可以得出，采樣保持時間應大于5RC。根據(jù)芯片手冊ADG1606 每路切換的時間為175 ns，所以開關(guān)切換時間公式為：

采樣保持電路中5RC＞16.8 μs。采樣保持電路如圖4 所示。

圖4 采樣保持電路

2.5 電量信號輸出卡自檢電路

為了得到高可靠性的輸出電壓，設(shè)計了輸出信號自檢電路。自檢信號精度要求為±0.14%。自檢電路的設(shè)計理論相當于信號板卡的閉環(huán)自檢，不用外接電纜進行測試，使項目簡單易上手[11]。自檢電路的作用是驗證輸出信號的正確性，電量信號輸出卡與甲方采編器對接出現(xiàn)問題時，可以迅速、高效地找到自身設(shè)備的問題。

電量信號輸出卡有32 路輸出通道，通過光電耦合器AQW210EHAZ 的通斷實現(xiàn)輸出電壓的自檢。提升了設(shè)備自動化水平。測試數(shù)據(jù)標定時，只需要對第1 路電壓信號進行自檢標定，標定完成后，需要根據(jù)上位機測試軟件對其余32 路電壓信號進行自動校準，極大地提升了設(shè)備的自動化水平[12]。由圖5可以看到，HC 的電壓信號范圍為-70～+70 V，偏置電壓為2.5 V，通過電阻R211與R210分壓，輸出電壓為-2.5～+2.5 V，經(jīng)過U4C 的電壓跟隨電路，U3C 提供的偏置電壓為2.5 V，經(jīng)過同相加法電路后U3A 的輸出電壓為0～+5 V。在U3A 的輸出端接有分壓電路，經(jīng)過計算，U3D 的輸出電壓為2.27 V。

圖5 電量信號輸出卡信號自檢電路圖

根據(jù)AD7667 的芯片手冊可知，IN+的輸入電壓范圍為0～2.5 V，只有輸入IN+的電壓值在0～2.5 V 電壓的范圍內(nèi)，才可以將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[13]，經(jīng)過信號調(diào)理電路輸入AD7667 的電壓為2.27 V，在輸入端的電壓范圍內(nèi)。AD7667 將數(shù)字量信號通過CPCI 總線傳送到FPGA，通過上位機實時顯示自檢電壓值。與此同時用萬用表測量同一通道，記錄輸出電壓值，進行數(shù)據(jù)標定。電量信號輸出卡自檢電路如5 圖所示。

3 軟件設(shè)計

電量信號輸出卡采用的是40 M 的晶振，每到一個新的clk，電路就會執(zhí)行新的指令。在電量信號輸出軟件設(shè)計過程中，首先，上電執(zhí)行復位指令，電路恢復成初始狀態(tài)。等待幾個時鐘后，啟動信源，F(xiàn)PGA 將數(shù)字量信號傳遞給LTC2642，將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)化為32 路模擬量信號后信源停止。實現(xiàn)DA 轉(zhuǎn)換后，將32 路模擬量信號通過模擬開關(guān)切換輸出[14]，輸出流程圖如圖6 所示。

圖6 輸出流程圖

輸出信號自檢的軟件設(shè)計過程中，電量信號邊輸出邊執(zhí)行自檢操作，自檢信號經(jīng)過調(diào)理電路將數(shù)字量信號傳送給FPGA。標定關(guān)系式如下：

將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，在上位機顯示自檢電壓值。其中，y代表輸出的模擬量，x代表輸入的數(shù)字量，k為斜率，b為截距。自檢流程圖如圖7所示。

圖7 自檢流程圖

4 測試數(shù)據(jù)分析

測試過程中將電量信號輸出卡插在CPCI 架構(gòu)式機箱上，通過上位機下發(fā)0000～FFFF 數(shù)據(jù)指令，采用34410A6 1/2 位高性能數(shù)字萬用表測試輸出電壓[15]。

電量信號輸出卡通過兩種方式進行標定：第一種標定方式為手動標定，第二種標定方式為自動標定。手動標定是上位機0000～FFFF 由32 路輸出電壓進行擬合，得出每路信號的k、b值。標定后測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 手動標定后測試數(shù)據(jù)

由表1 可得出電量信號輸出卡的精度達到了任務書所提的設(shè)計要求±0.16%，測試最高精度為0.12%。

第二種方式是上位機下發(fā)0000～FFFF 配置文件，由萬用表測得第1 路輸出信號的電壓值，要求精度達到±0.16%，將其進行線性擬合，其余32 路信號以第1 路輸出信號為標尺進行線性標定。理論上第二種標定方式精度要高于第一種標定方式，自動標定減少了人為操作誤差。標定測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 自動標定后測試數(shù)據(jù)

由表2 可得出，通過線性擬合后，采用以第1 路數(shù)據(jù)為標尺自動標定其余32 路的數(shù)據(jù)精度要高于32 路手動標定，測試精度最大提高0.08%，最小提高0.04%。

根據(jù)自檢測試數(shù)據(jù)得出，自檢電路數(shù)據(jù)經(jīng)過線性擬合后，由上位機下發(fā)配置文件，通過萬用表測試輸出電壓值，由測試數(shù)據(jù)得自檢精度達到±0.14%，達到預期設(shè)計自檢電壓精度，自檢標定后測試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 自檢標定后測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

該文設(shè)計了一種多通道的電量信號輸出卡，32路電壓信號精度高，可靠性好。電壓輸出精度達到任務書要求的±0.16%，自檢信號達到設(shè)計要求的±0.14%。測試數(shù)據(jù)采用自動標定的方式[16]，輸出精度至少提高0.04%，實現(xiàn)了高精度的電壓信號輸出。該文設(shè)計測試設(shè)備已交付使用，與甲方設(shè)備聯(lián)調(diào)測試無誤，滿足任務書所提的性能指標要求。