基于FPGA的多路模拟信号源设计与实现

　　0 引言

　　随着遥测系统的不断发展，系统复杂程度也随之提高，因此在终端设计中，对信号源的频率稳定度、幅值范围和频率范围提出了越来越高的要求。这就要求遥测系统具备高码速、实时可重构、处理复杂结构的能力，传统的数字电路难以实现这些复杂功能。FPGA(现场可编程门阵列)是近几年发展起来的硬件可编程芯片，具有硬件密度高、结构灵活、可编程、加密性强等良好性能，在高速信号处理领域占有至关重要的地位，也为多路模拟量信号源的实现，提供了有效的途径。本文针对遥测应用，以大容量FPGA器件为核心，实现了电源独立的不同频率、不同波形的多路模拟量信号源。

　　1 系统硬件设计

　　目前，大容量的FPGA主要有Altera、Xilinx、Lattice、Actel、Cypress等公司的产品。比较而言，Altera CycloneII系列FPGA芯片速度快、容量大、内嵌RAM多、并且有DSP硬件乘法器，是低成本、低功耗应用的最佳选择。因此在本文中选用Altera公司的Cyclone II系列FPGA－EP2C8芯片，EP2C8芯片是1．25 V内核供电，具有8.256个逻辑单元(LE)，36个M4K RAM块，RAM总量为165，888，18个嵌入式乘法器以及208个管脚，其中包括182个最大可用I／O引脚。Altera公司有相应的开发软件平台Quartus II，此软件功能强大，使用简单，支持的器件种类众多，可支持在线仿真，在线下载等，并具有丰富的IP核及逻辑功能模块资源，便于使用VHDL+模块／原理图输入界面等等。模拟量信号源主要包括中央控制FPGA单元、模拟量FPGA、静态存储SRAM、单路模拟量单元，如图l所示，

　　整个系统使用USB 2．0接口与计算机进行通讯，信号由计算机软件生成波形数据，通过USB口下载到主控FPGA，经过16位SRAM锁存，将各路信号传至模拟量FPGA，经由解码分路选通，输出电源独立的不同频率、不同波形的多路模拟量信号。其中包括4路单极性幅值O～30V，60路双极性幅值±15V；四种波形分别为锯齿波、正弦波和方波(占空比1：1)，信号频率为0～50Hz,以及固定电平，幅值可以初始设定，并可实现实时可调。

　　2 单路模拟量组成模块设计

　　2．1 系统构成

　　单路模拟量由电源隔离单元、前端稳压单元、数模转换(DAC)单元和运算放大单元等构成，具体构成如图2所示，系统由双18 V供电经过稳压单元输出4．096 V，给DAC和运放芯片提供工作电压，另外通过指令启动信号在SPI总线上发送FPGA的CS、SCK、SDI信号，传至单路模拟量，将相应数字量进行D／A转换，得到的模拟量数据经由运算放大输出，即可实现64路模拟量波形。系统时钟同步输出，具有很高的可靠性。