基于pxi总线的多通道动态信号采集卡的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，该采集卡由多路模拟信号调理、AD转换、倍频和锁相环、DDS和AD时钟分配、PCI接口、基准源电路、FPGA、恒流源、TEDS智能传感器接口等电路组成。该动态信号采集卡能够为测试测量用户提供高精度的多通道模拟信号的同步采集功能。该采集卡不但可以直接进行电量信号采集，还可以提供基于IEPE的加速度、麦克风等非电量的采集功能，最大程度地满足了声音与振动分析等领域的测试需要，同时为遵循IEEE1451.4的CLASS1标准的智能传感器提供了TEDS支持。
【专利说明】基于PXI总线的多通道动态信号采集卡
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及多通道动态信号采集卡，具体涉及一种基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，属于虚拟仪器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，国外基于PXI总线的多通道动态信号采集卡模拟通道数最大为8个，其最高采样率为102.4kSa/s，不支持TEDS智能传感器接口，上述技术参数难以适应不断提高的技术要求；国内目前还无基于PXI总线的多通道动态信号采集卡推出。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是提供一种基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，主要解决了现有技术采样率和动态范围较低的问题。
[0004]本实用新型提供的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，在3U尺寸的PXI板卡上设置了多达8个独立的信号调理和采集通道，最高采样率为204.8kSa/s、支持TEDS智能传感器接口的动态信号采集。
[0005]本实用新型的具体技术解决方案如下:
[0006]该基于PXI总线的多通道动态信号采集卡包括可编程逻辑控制器和拟信号调理电路，模拟信号调理电路分别与可编程逻辑控制器、基准源电路、恒流源电路、AD时钟分配电路和TEDS接口电路的一端连接连接；所述AD时钟分配电路的另一端通过DDS电路与PXI接口电路连接；所述PXI接口电路还分别直接与可编程逻辑控制器连接，通过倍频和锁相环电路和可编程逻辑控制器连接；所述可编程逻辑控制器还与DDR电路和触发功能模块电路连接。
[0007]上述PXI接口电路由协议转换器、PXI总线、PXI触发总线和时钟电路组成，协议转换器、PXI触发总线和时钟电路的一端均与PXI总线连接，协议转换器和PXI触发总线的另一端与可编程逻辑控制器连接，时钟电路的另一端与倍频和锁相环电路连接。
[0008]上述模拟信号调理电路包括多个独立的的差分或伪差分单通道模拟信号调理电路，各通道具有I个独立的24位Σ - Λ AD转换器，各通道独立并行采样，采样率通过DDS电路向下分频。
[0009]上述基准源电路包括依次连接的高稳定度基准源和用于增加驱动能力的运放。
[0010]上述恒流源电路为零温度系数的恒流电路。
[0011]上述TEDS接口电路为典型的2线恒流供电传感器，共用信号线。
[0012]上述倍频电路和锁相环电路由集成的压控振荡器和锁相环芯片组成。
[0013]上述DDS电路是内置10位数模转换器和电压比较器的DDS芯片。
[0014]本实用新型的优点在于:
[0015]本实用新型提供的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡不但提供多达8个最高采样率为204.8kSa/s模拟采集通道，同时还为每个通道提供两线制的TEDS智能传感器接口，可以便于用户构建动态信号采集系统、有效降低系统成本，具有良好的工程实用价值。
[0016]具体地讲，本实用新型具备如下特点:
[0017]该基于PXI总线的多通道动态信号采集卡采用高集成度芯片，在单块3U的PXI板卡上设计了多达8个模拟通道，采用AD公司24位Σ - Λ AD转换器，最高采样率为204.8kSa/s，实现了多通道和高采样率；采用DDS电路产生AD转换器的采样时钟，采样率步长为36.38uS/s (微赫兹采样)，使得采样率设置灵活精细，同时，通道之间的同步性高，通道间的同步性主要是通过采样时钟的一致性和模拟通道的一致性来保证的。
[0018]采用多路复用器和程控增益仪表放大器PGA，提供差分和伪差分两种输入方式，便于用户选择；采用低噪声模拟信号调理技术、程控增益、程控滤波以及多点校准技术和Σ - Λ AD转换器，采集卡动态范围达到IlOdB,采集的信号幅值从±30uV到± 10V，提高了动态范围。
[0019]提供基于IEPE的加速度、麦克风等非电量的采集功能。采用单片集成的恒流源芯片，为基于IEPE的加速度、麦克风等传感器提供调理。为遵循IEEE1451.4的CLASSl标准的智能传感器提供了 TEDS支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为多通道动态信号采集卡原理图；
[0021]图2为单通道模拟信号调理电路图；
[0022]图3为基准源电路图；
[0023]图4为恒流源电路图；
[0024]图5为倍频和锁相环电路图；
[0025]图6为TEDS接口电路图；
[0026]图7为DDS电路图；
[0027]图8为AD时钟分配电路图；
[0028]图9为触发功能模块电路图；
[0029]图10为PCI接口电路图；
[0030]图11为DDR电路图；
[0031]图12为可编程逻辑控制器内部功能模块电路图；
[0032]附图明细:2_模拟信号调理电路；3_基准源电路；4_恒流源电路；5_倍频和锁相环电路；6-TEDS接口电路；7-DDS电路；8_AD时钟分配电路；9_触发功能模块电路；10_PXI接口电路；11_DDR电路；13_可编程逻辑控制器。
【具体实施方式】
[0033]下面结合说明书附图，详细说明本实用新型的【具体实施方式】。
[0034]该采集卡从功能上可以划分为模拟信号调理、AD转换、倍频和锁相环、DDS和AD时钟分配、PCI接口、基准源电路、FPGA、恒流源、TEDS智能传感器接口等电路。图1为多通道动态信号采集卡原理图。
[0035]从传感器输入的模拟信号首先送入多路复用器进行交流、直流、接地耦合选择。多路复用器的输出信号连接到精密程控增益运放PGA，PGA将模拟信号调理到接近AD的最大输入范围，这样可以保证信号具有最大的信噪比。PGA为单端信号输出，而AD为差分输入，这样就必须增加一级精密的单端转差分运放。差分信号在进到AD转换器前，还必须对噪声进行模拟低通滤波处理，滤波后的信号最后再送到差分输入的24位Σ-Λ转换器AD7764进行模数转换。图2为单通道模拟信号调理电路图。
[0036]低温漂、高稳定度的AD电压基准是高精度数采系统的保证。本设计中使用了 AD公司ADR444作为所有AD转换器的高稳定度基准源。ADR444温漂典型值为lppm/°C，最大为3ppm/°C，噪声为1.8uVp-p，输出电压为4.096V。4.096V基准电压再通过运放AD706跟随，增加驱动能力后供8路AD转换器使用。图3为基准源电路图。
[0037]恒流源采用LM334芯片。LM334是NS公司生产的单片集成三端可调恒流源，使用时，只要外接2个电阻Rl、R2 (R2=10R1)和一个二极管IN457就可构成零温度系数的恒流源。选择不同的Rl可使恒流值从I uA到IOmA连续可调。图4为恒流源电路图。
[0038]该采集卡的TEDS电路为典型的2线恒流供电传感器，共用信号线。通过反转信号线的极性，二极管允许顺序访问放大器或TEDS存储器。当控制开关处于“analog”位置时，采集板的恒流源电流通过信号线和上方的二极管为放大器供电。变送器输出在信号线上表现为模拟电压。当控制开关处于“digital”位置时，存储器件由负逻辑电源通过下方的二极管供电。电路中给出了在TEDS存储器芯片端子之间的下拉电阻(Rt)。该电阻用于释放存储器电路和引线电容的电荷，确保逻辑O电平满足时隙要求。IEEE1451.4兼容传感器通过模拟/数字开关连接至TP4。TP2和TP6分别连接至FPGA的输出(写)和输入(读)端口，用来读写智能传感器的TEDS信息。图6为TEDS接口电路图。
[0039]压控振荡器VCXO产生40MHz的本地时钟，利用PLL芯片把该时钟与PXI总线上的IOM时钟锁定。40MHz时钟供FPGA、PCI9054、DDR等功能电路使用。图5为倍频和锁相环电路图。
[0040]该采集卡的采样率为IkS/s到204.8kS/s可调，为保证24位AD采样率的准确性和便于用户设置，AD的采样时钟由板卡上的DDS电路产生或者从星型触发线传递的时钟来决定。DDS芯片内置10位数模转换器和电压比较器，可以很容易的输出所需频率的方波。图7为DDS电路图。
[0041]为了增加驱动能力，DDS的一路时钟输出再经过低抖动的时钟缓冲器CDCLVC1110PW后变为多路时钟，供本板卡的AD转换器使用或者路由到星型触发线上供其它板卡的AD转换器使用。图8为AD时钟分配电路图。
[0042]触发源分为软件触发、模拟通道触发、外部数字触发、星型触发和PXI_TRIG[0..7]背板触发。图9为触发功能模块电路图。
[0043]PCI9054实现PCI桥作用，将复杂的PCI协议转换为一种相对简单的总线接口。图10为PCI接口电路图。
[0044]DDR部分电路选用MICRON公司的32M X16BIT芯片，图11为DDR电路图。
[0045]FPGA主要实现以下主要功能:
[0046]1、对PCI9054进行控制，实现与PCI总线的通讯；
[0047]2、对DDR芯片进行读写控制，实现AD采集数据的缓存；
[0048]3、对各采集通道的触发配置，控制多路AD同步采集；
[0049]4、对DDS芯片进行控制，实现AD采样频率的产生和切换；[0050]5、支持智能传感器TEDS接口，实现对传感器TEDS的读写操作；
[0051]6、支持3种数据采集模式:滞后触发、超前触发、连续触发。
[0052]所用的FPGA 芯片为 SPARTAN-6 的 XC6SLX45-FG676，配置芯片为 XCF04S。
[0053]本设计中FPGA是整个采集系统的控制中心。FPGA内部主要分为:采集控制模块、时钟复位模块、本地总线接口模块、模拟通道控制模块、路由控制模块、DDR控制模块、DDS采样时钟控制模块、模拟触发控制模块和TEDS控制模块、EEPROM控制模块等。图12为FPGA内部功能模块电路图。
【权利要求】
1.基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，包括可编程逻辑控制器，其特征在于:还包括模拟信号调理电路，所述模拟信号调理电路分别与可编程逻辑控制器、基准源电路、恒流源电路、AD时钟分配电路和TEDS接口电路的一端连接；所述AD时钟分配电路的另一端通过DDS电路与PXI接口电路连接；所述PXI接口电路还分别直接与可编程逻辑控制器连接，通过倍频和锁相环电路和可编程逻辑控制器连接；所述可编程逻辑控制器还与DDR电路和触发功能模块电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，其特征在于:所述PXI接口电路由协议转换器、PXI总线、PXI触发总线和时钟电路组成，协议转换器、PXI触发总线和时钟电路的一端均与PXI总线连接，协议转换器和PXI触发总线的另一端与可编程逻辑控制器连接，时钟电路的另一端与倍频和锁相环电路连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，其特征在于:所述模拟信号调理电路包括多个独立的的差分或伪差分单通道模拟信号调理电路，各通道具有I个独立的24位Σ-Λ AD转换器，各通道独立并行采样，采样率通过DDS电路向下分频。
4.根据权利要求3所述的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，其特征在于:所述基准源电路包括依次连接的高稳定度基准源和用于增加驱动能力的运放。
5.根据权利要求3所述的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，其特征在于:所述恒流源电路为零温度系数的恒流源电路。
6.根据权利要求3所述的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，其特征在于:所述TEDS接口电路为典型的2线恒流供电传感器，共用信号线。
7.根据权利要求3所述的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，其特征在于:所述倍频和锁相环电路由集成的压控振荡器和锁相环芯片组成。
8.根据权利要求3所述的基于PXI总线的多通道动态信号采集卡，其特征在于:所述DDS电路是内置10位数模转换器和电压比较器的DDS芯片。
【文档编号】G05B19/05GK203422642SQ201320312857
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】郭恩全, 严昭莹, 倪旭东, 杨坤, 杨朋, 李光辉 申请人:陕西海泰电子有限责任公司