基于DSP与FPGA的高精度数据采集系统设计

校准电路设计

校准电路是本设计的重要环节，数据采集卡的高精度性能不仅取决于高分辨率的ADC，在更大程度上要依靠该数据采集卡优良的自校准和抗噪声能力来实现。

校准时，DSP发出标准值，经D/A和A/D转换后，所采集的数据值与原标准值相比较，取其偏差系数组成去噪方程，以实现数据采集卡的自校准。

PCI总线接口电路设计

PCI总线规范十分复杂，其接口的实现比较困难。数据采集卡采用PCI9030作为用户接口，为PCI总线接口的开发提供了一种简捷的方法，只需设计简单的局部总线接口控制电路即可实现PCI总线的高速数据传输。使用Altera 公司的Quartus II，使得硬件实现软件化设计，更新了传统的电路设计和调试方式，大大缩短了开发周期，特别是其设计仿真和定时分析使得设计更加可靠，确保了系统的正确性。

系统软件设计

驱动程序设计

在Windows98/ 2000/ XP 环境下，处于Windows 用户态的应用程序不能直接对硬件设备进行操作，要实现对数据采集卡的硬件资源(如内存、中断等)的访问，必须编写运行在核心态的设备驱动程序。目前，使用较多的开发工具是GUNGO公司的驱动程序开发组件WinDriver。利用WinDriver开发驱动程序，不需熟悉操作系统的内核知识。整个驱动程序中的所有函数都是工作在用户态的，通过与WinDriver的.VXD和.SYS文件交互来达到驱动硬件的目的。因为 WinDriver 开发环境提供了针对 PLX 公司芯片的存储器范围、寄存器和中断处理等模块，所以本文采用了GUNGO公司的 WinDriver5.3开发工具，它支持PLX公司的PCI接口芯片，用户无需具有DDK和核心态程序开发经验，调试时可结合 PLX 公司的 PLXmon 工具。

操作界面设计

采用美国国家仪器公司的LabVIEW软件进行界面设计。LabVIEW是一种图形化编程语言， 操作界面模拟实际仪器的控制面板，使用户能完成通道选择、模式选择、增益设定、采样率设定等功能，操作简单方便。

系统指标分析

ADC误差分析

常用的ADC主要存在量化误差、增益误差和偏置误差。量化误差是任何ADC都存在的，仅仅能通过提高ADC分辨率来减少，为把量化误差减少为±1LSB/2，通常的方法是把变换特性偏移1LSB/2。偏移误差是指对 ADC采用零伏差动输入时实际代码与理想代码之间的差异。增益误差是指从负满量程转为正满量程输入时实际斜率与理想斜率之差。偏移和增益误差通常是ADC中主要的误差源。为了进行偏移校准，本文采用0V或非常小的信号并读取输出代码。如果结果为正，那么转换器就存在正偏移误差，从结果中减去偏移值；如果结果为负，那么转换器就存在负偏移误差，可向结果加上偏移值。通过对ADC施加满量程或近于满量程的信号并测量输出代码来实现增益校准。偏移校准在增益校准之前进行。

模拟开关误差分析

多路开关大体上可分为两种类型，即模拟电子开关和机械触点式开关。模拟开关具有转换速度快、使用寿命长、体积小、成本低、集成度高和无抖动等优点；但也存在一些缺点，如导通电阻较大、存在道间干扰、通道间共地等。

本文所设计的数据采集卡使用ADI公司的ADG507和ADG509，导通电阻Ron100300Ω，输入信号要通过Ron分压，输出到负载电阻上的电压要下降一些。为此，本设计用OPA2277做成压级跟随器连接到后面的负载电路上，以拉高多路模拟开关的负载阻抗，削弱串联内阻的影响。

精度设计

数据采集卡使用了可编程增益放大器LTC6911，最大可调增益为100 V/V，极大提高了采集卡对微弱信号的分辨能力。同时，信号调理部分的电阻衰减网络可完成对信号的1/2、1/4分压，扩大了数据采集卡的动态范围。信号和干扰噪声在时域混合在一起，但是在频域有不同特性，因此，预先设计滤波器对噪声信号进行抑制，避免噪声电平很高，用增益放大器接收这样的信号会导致放大器饱和，使仪器不能正常工作。
电压基准源是A/D或D/A转换电路的重要部件，系统输出精度在很大程度上取决于电压基准源的精度。这里主要考虑输出精度、稳定性和温度漂移系数。 MAX6325是低噪声、高精度的掩埋齐纳型基准电压源芯片，其初始输出电压精度高达0.02％，温度系数为0.5ppm/℃。

结语

数据采集卡采用16位精度ADC，模拟信号通道设计考虑了微弱信号检测、噪声抑制、高频滤波、差分放大电路和可编程增益放大电路，数字电路部分设计以EP2C8Q208为核心，利用FPGA的时序严格、速度较快、可编程性好等特点，将可能需要的各种控制和状态信号引入FPGA，利用FPGA的大容量和现场可编程的特性，根据不同的要求进行现场修改，增大了系统设计的成功率和灵活性。同时，DSP对数据的预处理极大地提高了数据的精度。在PCB布线时认真考虑了滤波、接地和合理的信号走线，提高了数据采集卡的可靠性。