一种基于VXI总线的多通道同步数据采集卡制造技术

本实用新型专利技术提供一种基于ＶＸＩ总线的多通道同步数据采集卡，每块板卡由４个完全独立的模拟信号调理子板和１块母板组成，在母板上集成有ＦＰＧＡ芯片、ＳＤＲＡＭ芯片、ＶＸＩ接口芯片，在子板上集成有模拟信号调理电路、Ａ／Ｄ转换器，每个子板具有独立的信号采集通道，各通道具有１个独立的１６位Ａ／Ｄ转换器和信号调理电路，各通道独立并行采样，每通道的最高采样为２Ｍ，采样率可向下分频。本实用新型专利技术采集卡采样率高，采样精度优于１‰，数据存储容量大、速度快，峰值数据吞吐量可达３２０ＭＢ／Ｓ，降低了信号毛刺对时序逻辑的影响，提高了板卡的稳定性，保证了多个通道采样的同步性，适合于对相位要求高的应用场所。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及虚拟仪器
，指的是一种基于VXI总线的同步数据采集卡。
技术介绍
国内外现有的16位VXI数据采集卡最高采样率都低于1MSa/s，在板缓存都比较小。随着现代科学技术的迅速发展，尤其是在航空航天、军事领域，所要采集的模拟信号频率逐步上升，用户对于采集的信号采样精度要求也越来越高，对于在板缓存也要求比较大。在这种情况下，现有的VXI同步采集卡都满足不了这种需求。
技术实现思路
本技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高采样率、在板缓存大、采样精度高的基于VXI总线的多通道同步数据采集卡。本技术的技术方案是一种基于VXI总线的多通道同步数据采集卡，每块板卡由4个完全独立的模拟信号调理子板和1块母板组成，在母板上集成有FPGA芯片、SDRAM芯片、VXI接口芯片，该板为8层印制板；在子板上集成有模拟信号调理电路、A/D转换器，该板为4层印制板；每个子板具有独立的信号采集通道，各通道具有1个独立的16位A/D转换器和信号调理电路，各通道独立并行采样，每通道的最高采样为2M，采样率可向下分频。该采集卡的所有A/D采样时钟最终都来自VXI背板的同一个时钟，-->且A/D采样时钟等长。本数据采集卡经实验室检测和用户现场应用，达到如下主要效果：1.采样率高。采用16位A/D转换器的最高采样率为2M，采样率可向下分频。2.采样精度高。采用低噪声信号调理技术，程控增益，程控滤波以及多点校准技术，该采集卡的采样精度优于1‰。3.数据存储容量大、速度快。每通道采用128MB的SDRAM作为数据存储器，工作频率为80MHz，峰值数据吞吐量可达320MB/S。4.FPGA内部均采用全局时钟、同步设计方法，使用同步设计方法可以大大降低信号毛刺对时序逻辑的影响，提高板卡的稳定性。5.该采集卡的所有A/D采样时钟最终都来自VXI背板的同一个时钟，且A/D采样时钟在印制板上等长，保证了多个通道采样的同步性，非常适合于对相位要求高的应用场所。附图说明图1VXI同步采集卡总体结构框图。图2采集卡单通道结构图。图3FPGA内部整体结构图。图4模拟信号接收单元原理图。图5程控增益单元原理图。图6程控滤波单元原理图。图7A/D转换器单元原理图。图8触发单元原理图。-->图9时钟发生器单元原理图。具体实施方式下面结合说明书附图，以4通道采集卡为例，详细说明本技术的具体实施方式，但本技术的实施方式不限于此。硬件总体结构如图1所示，每块板卡由4个完全独立的模拟信号调理子板和1块母板组成。母板主要完成数字信号的控制、传输和与VXI总线接口。母板由FPGA芯片EP20K100QC、SDRAM芯片K4S511632B、VXI接口芯片IT9010等构成，该板为8层印制板。在子板上集成有模拟信号调理电路、A/D转换器。模拟子板完成模拟信号的接收、信号选择、程控放大以及滤波功能，最终把模拟信号传送到A/D转换器中进行转换。该模拟子板为4层印制板，模拟电路和数字电路完全隔离，以减小高速数字电路对低频模拟电路的干扰。FPGA完成整个采集通道的运行控制。A/D转换后的数字信号在EP20K100QC的控制下暂存在K4S511632B数据存储器中。当K4S511632B中的存储数据达到上层软件所设定的存储长度时，就通过VXI总线接口IT9010传送到上位机中去。如图2所示，同步采集卡有4路模拟信号输入，这4路采集通道共同组成一块单板。每个单板中的4个数据采集通道相互独立，独自使用资源，这样可以达到各个通道的完全隔离。单板中4个采集通道共享同一个VXI总线接口资源，这样才可以保证对于计算机，一块单板对应一个功能模块，而不是4个功能模块。-->如图9所示，时钟发生器单元产生该通道工作所需的时钟，该时钟是通过对VXI总线背板上的10MHz基准时钟进行8倍频后得来的。如图8所示，触发信号发生和触发信号传输单元判断外部输入的触发信号或者产生本通道输出到其它通道的触发信号，来保证各通道之间的同步数据采集。基准电压为精密电压源，用来校准模拟通道的增益大小，补偿A/D转换结果的精度，使补偿后的数据能精确反映输入信号的大小，把模拟通道的失真减为最小，满足系统信号的失真要求；模拟通道的校准需要进行所有增益情况下基准电压的A/D转换，以实际转换结果与理论结果相比较，得出此时模拟通道实际的增益值，作为实际工作时的通道增益值。单端运算放大器接收单端信号，差分运算放大器接收差分信号，如图4所示，单端、差分信号分别被不同接法的OP37接收，直流和交流耦合方式通过信号选择开关MAX311实现。校准电压连接到信号选择开关的基准电压输入端，FPGA根据上层的控制信号来识别当前需要选取的信号类型，从而输出不同的控制信号到信号选择开关，保证实际输入到采集卡模拟通道的信号为需要的信号类型。为了使A/D转换结果具有最佳的信噪比，程控增益放大器需要对经过信号选择开关选通后的模拟信号进行放大，保证信号的幅度接近A/D转换器的最大转换信号值，具体的增益大小可以根据当前输入信号的量程而定。如图5所示，接收后的模拟信号被送到前级运放OP37进行第一级放大，根据信号的量程，还需要进行第二级放大。第二级放大由D/A-->转换器TLC7528和OP37实现程控增益。如图6所示，为了有效的滤除干扰信号，因此根据输入信号的频率，将选择不同档位的低通滤波器。滤波器的档位划分为200KHz，100KHz，50KHz，10KHz，选用LINEAR公司的滤波器LTC1069-7实现。该滤波器为8阶线性相位低通滤波器，可以通过简单改变输入时钟频率调节滤波器的截止频率。如图7所示，经过滤波后的模拟信号送到16位A/D转换器ADS8411中进行转换，该A/D转换器内部提供4.096V的参考，并行数据输出。A/D转换器完成模拟信号的转换，转换后的数字信号被FPGA所接收，并被存储到SDRAM中。SDRAM存储采集数据，当SDRAM中存储的采样数据达到上层软件所设定的存储长度时，FPGA中央控制单元就向VXI总线申请读取采样数据中断，VXI总线在接收到中断信号以后，就通过VXI总线来读取SDRAM中的采样数据。FPGA完成整个采集通道的运行控制，对整个单板性能有着决定性的作用。FPGA完成A/D转换数据的接口；SDRAM的刷新、读、写控制；通道工作状态的控制(采集控制、触发模式、A/D采样率控制、通道间同步控制、增益控制、增益校准控制)；SDRAM数据到VXI总线接口控制；请求VXI总线读SDRAM数据中断控制；VXI总线写控制参数接口单元，来控制通道的工作状态；VXI总线读通道FPGA状态参数接口单元等。图3是FPGA内的结构图。FPGA内部均采用全局时钟、同步设计方法，使用同步设计方法可以大大降低信号毛刺对时序逻辑的影响。-->本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＶＸＩ总线的多通道同步数据采集卡，其特征在于：每块板卡由４个完全独立的模拟信号调理子板和１块母板组成，在母板上集成有ＦＰＧＡ芯片、ＳＤＲＡＭ芯片、ＶＸＩ接口芯片，该板为８层印制板；在子板上集成有模拟信号调理电路、Ａ／Ｄ转换器，该板为４层印制板；每个子板具有独立的信号采集通道，各通道具有１个独立的１６位Ａ／Ｄ转换器和信号调理电路，各通道独立并行采样，每通道的最高采样为２Ｍ，采样率可向下分频。

【技术特征摘要】
1、一种基于VXI总线的多通道同步数据采集卡，其特征在于：每块板卡由4个完全独立的模拟信号调理子板和1块母板组成，在母板上集成有FPGA芯片、SDRAM芯片、VXI接口芯片，该板为8层印制板；在子板上集成有模拟信号调理电路、A/D转换器，该板为4层印制板；每个子板具有独立的信号采集通...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭恩全，严昭莹，李小杰，赵涛，
申请(专利权)人：陕西海泰电子有限责任公司，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]