1 引言
在科研和工程中，數據采集系統具有很廣泛的應用，針對各類電壓型傳感器輸出的信號伏值不同這種情況，本文提出了一種能夠控制增益的數據采集系統。該系統以FPGA 作為邏輯控制核心，選用儀表運算放大器AD623 作放大電路，ADG704 作為模擬開關，通過對FPGA 進行編程配置，控制模擬開關選通不同的電阻，選通電阻配合AD623 實現放大。同時該系統可以對多通道配置不同的增益，從而可以采集不同傳感器輸出的信號。實現了采集范圍寬的采集要求。
2 系統設計方案
本設計采用現場可編程門陣列（FPGA）作為主控單元，實現整個系統的邏輯控制。整個系統的原理框圖如圖1 所示。從整個流程來看，系統主要由以下幾個模塊組成：運算放大模塊、AD 轉換模塊、可編程邏輯器件控制模塊。
圖1 系統設計原理框圖
整個系統的工作流程為：首先確定各通道輸入信號范圍，從而確定各通道的增益，對FPGA 進行編程配置，使ADG704 選中增益配置電阻，經AD623 放大后通過精密運放OP113 跟隨輸出，通過多路選擇器切換將模擬信號輸出至AD轉換器，將轉換完成的數據通過FPGA 存儲在FLASH。完成整個系統的數據采集。
3 典型電路設計
下圖2 為運算放大模塊電路圖。
圖2 儀表運算放大電路圖
該模塊的核心為儀表運放AD623，AD623 是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源(+3V～+12V)下提供滿電源幅度的輸出,其增益設置范圍為1~1000。AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(ACCMRR)而保持最小的誤差,線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達200Hz 時仍保持恒定而受到抑制。增益可通過1 腳和8 腳之間的電阻設置，其公式如下：
G 為放大倍數。X R 為調節電阻。
圖中輸入信號前加一階無源低通濾波器，濾除混疊在信號中的高頻成分，信號截至頻率可以通過f=1/2ΠRC 求得,同時在AD623 輸出端又加一級分壓濾波器,它與前一級濾波器構成二階無源低通濾波器。對濾波后的信號進行放大，對于AD623，如果信號不加共模信號直接放大,輸出信號最大將會被限制在1.25V。如圖輸入信號為0～20mv 正弦波，通過調節電阻使其增益設置為100，此時輸出應為0～2V 的正弦波，但實際波形如下：
信號輸入波形
信號輸出波形
如果在輸入端加2.5V 共模電壓，電路圖連接如圖2，同樣在輸入端加0～20mv 正弦波，增益設置為100，輸出波形如下：
信號輸出波形
為了提高驅動能力，如圖2 中在AD623 輸出端加一級跟隨器OP113 作為驅動，因為AD623 設計為驅動10K 歐或以上的負載，如果負載小于10KΩ時，需要用一個精密運放作為緩沖提高驅動能力，接OP113 作為跟隨驅動器，當負載小到600Ω時，也可以在負載上得到0～4V 的輸出擺幅。
在圖2 中ADG704 作為模擬開關，主要用來切換S1～S4 中的某一通道與D 導通，該選中通道與AD623 配合實現增益控制。對于ADG704 的控制，用可編程邏輯器件編程實現。控制使能和選擇信號A1、A0、EN 通過真值表1 實現切換。
表1 ADG704 真值表
4 結束語
本文提出的由可編程邏輯器件控制系統的放大倍數，充分利用了儀表運算放大器AD623 的增益可調功能及其優越性。每一路熱電偶輸入信號可以有多個不同的放大倍數，使得各種幅值不同的輸入信號采集的實現更加方便、可靠、快捷。選用的16 位AD 轉換器，以采集精度高、控制方便、轉換速度快等優點，更大程度地優化了該系統。
參考文獻
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