專利名稱：一種基于cpld的寬電壓數(shù)據(jù)采集裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種高速隔離的寬電壓數(shù)據(jù)采集裝置。
背景技術：
在エ業(yè)生產(chǎn)控制領域，經(jīng)常需要盡可能多地采集多方面的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)高速、隔離以及精準的轉換，特別是在數(shù)據(jù)采集范圍、速率及抗干擾性能要求高的圖像處理系統(tǒng)、測控系統(tǒng)中。目前，市場上所通用的數(shù)據(jù)采集設備的輸入電壓范圍基本為幾十伏甚至幾伏，抗干擾能力不夠理想，并且大都采用的是單片機或數(shù)字信號處理器(DSP Digital Signal Processor)作為核心芯片，系統(tǒng)的采集速率較低、抗干擾能力相對較差， 很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。隨著電子技術的進步，采用高速數(shù)字隔離的方案可以很好地解決干擾的問題，輸入電壓范圍的加寬也勢必會使該采集裝置應用于更多領域。而在高速數(shù)據(jù)采集方面，復雜可編程邏輯器件(CPLD :Complex Programable Logic Device)具有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢，能夠?qū)⒋罅康倪壿嫻δ芗捎讴`個單片集成電路中，具有時鐘頻率高，內(nèi)部延時小，速度快，效率高，組成形式靈活等特點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術可測電壓范圍小、采集速率低以及抗干擾能力差等不足，本發(fā)明提供一種基于CPLD的寬電壓數(shù)據(jù)采集裝置，能對-600V +600V的模擬電壓信號進行高速的數(shù)據(jù)采集。此裝置多處利用隔離器件，對信號進行隔離，從而大大提高了整個裝置的抗干擾能力。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是包括匹配電阻輸入電路、嵌位保護電路、多路選擇器選檔電路、放大緩沖電路、摸/數(shù)轉換電路、數(shù)字隔離電路、CPLD控制單元、光電隔離電路和旋鈕選檔電路。所述旋鈕選檔電路的檔位選定信號經(jīng)過光電隔離電路隔離后輸出到CPLD控制單元，成為多路選擇器選檔電路的控制信號，再經(jīng)過數(shù)字隔離器送至多路選擇器選檔電路實現(xiàn)對通道的控制；外部采集的模擬電壓信號經(jīng)過匹配電阻輸入電路進行信號的衰減，衰減后的模擬信號經(jīng)過嵌位保護電路將信號送入多路選擇器已選好的通道，輸出信號送至放大緩沖電路的運算放大器反相端。同時通過運算放大器的反饋電阻， 來提供不同的衰減比，即不同反饋電阻的匹配把可采集的輸入信號分為了若干檔位，從而實現(xiàn)外部可采集寬至-600V +600V的模擬信號的功能。模/數(shù)轉換電路內(nèi)部2V的參考電壓經(jīng)過電壓跟隨器的電阻匹配和功率提升輸入到運算放大器的正向端，使雙極性電壓信號轉換成單極性，該信號經(jīng)嵌位保護電路保護送入模/數(shù)轉化電路的模擬信號輸入端，模/ 數(shù)轉換電路在CPLD送入時鐘觸發(fā)下實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換。轉換后的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字隔離電路送至CPLD控制單元進行數(shù)據(jù)的緩存，并輸出最終測量結果。所述旋鈕選檔電路的外接旋鈕端Rangel_Range4分別由兩只500 Q的電阻并聯(lián)接到地，保證初始均為未選中狀態(tài)，1^1^61_1^1^64接并聯(lián)的兩只500 0的電阻，再分別連接到光電耦合隔離器的2、4、6、8引腳，2、4、6、8引腳分別與供電電源間利用并聯(lián)的ニ極管、電容和電阻元件電路消抖。所述反饋電阻的匹配電阻值分別為100k、20k、4k、lk，精度均為1%%。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明從外部采集-600V +600V范圍內(nèi)的模擬信號，利用旋鈕、光電耦合隔離器件設計巧妙的選檔電路，實現(xiàn)外接旋鈕選檔電路與CPLD控制電路間的電氣隔離并消除了噪音。光電耦合隔離器的輸出信號經(jīng)過CPLD控制單元產(chǎn)生多路選擇器檔位選通的控制信號。采集的信號經(jīng)過衰減后送入所選檔位通道再送入精密運放中進行信號的調(diào)理以使其滿足模/數(shù)轉化器采樣所允許的OV 2V電壓信號，利用可靈活編程的邏輯器件CPLD進行簡單的預分頻分出時鐘脈沖以觸發(fā)A/D轉換，將轉換后的數(shù)字信號實時的送入CPLD進行處理與緩存。本發(fā)明的特點在于(I)本發(fā)明以CPLD為核心處理芯片，其集成度高、體積小、功耗低、設計靈活等優(yōu)勢使該裝置具有很好的靈活性、適應性和可靠性。(2)可以采集-600v 至+600v較寬范圍的模擬電壓信號，彌補了通用采集裝置采集電壓范圍窄而受限的缺點， 使其能夠應用于更多領域。本發(fā)明把輸入信號劃分為四個檔位，在測量小信號時可以使用-6V +6V檔位，測量大信號時使用-600V +600V，這種方式可以大大提高測量的精度；
(3)多處采用了隔離器件，有旋鈕選檔時的光電耦合隔離、摸/數(shù)轉化器與CPLD之間進行數(shù)據(jù)和時鐘傳輸時的數(shù)字隔離，這些隔離電路的使用不僅能有效地消除噪聲，減少干擾，還能保護器件(或人)免受高電壓的危害；(4)多處采用嵌位保護電路，如多路選擇器選檔電路的模擬前端電壓衰減、放大緩沖電路輸出電壓的嵌位保護以及進入模數(shù)轉換電路的輸入端等，防止了靜電放電和浪涌損壞其它器件；(5)采用了精密的運算放大器(ADA4851)，其出色的差分增益(0. 08% )和差分相位(0. 09。)以及IlMHz的0. IdB平坦度、130MHz的-3dB 帶寬和高壓擺率可將采集的數(shù)據(jù)更準確的進行轉換；(6)采用的芯片性價比都很高，從而使得整個裝置在滿足性能的前提下，大大節(jié)約了成本。


圖I是本發(fā)明所述寬電壓數(shù)據(jù)采集裝置的結構示意圖。圖中，I匹配電阻輸入電路；2嵌位保護電路；3多路選擇器選檔電路；4放大緩沖電路；5摸/數(shù)轉換電路；6數(shù)字隔離電路；7CPLD控制單元；8光電隔離電路；9旋鈕選檔電路。
具體實施例方式本發(fā)明包括匹配電阻輸入電路、嵌位保護電路、多路選擇器選檔電路、放大緩沖電路、摸/數(shù)轉換電路、數(shù)字隔離電路、CPLD控制單元、光電隔離電路和旋鈕選檔電路。本發(fā)明采用低廉的旋鈕進行檔位選擇，外接旋鈕端(Rangel-Range4)由兩只500Q的電阻并聯(lián)接到地，保證初始均為未選中狀態(tài)，1^1^61-1^1^64接并聯(lián)的兩只500 0的電阻，再分別連接到光電耦合隔離器的2、4、6、8引腳，其與5V電間利用ニ極管、電容、電阻元件并聯(lián)電路消抖。檔位選定信號經(jīng)光電耦合隔離器(PS2801-4)進行信號隔離，若選通某一檔位則光電耦合隔離器內(nèi)部的發(fā)管ニ極管不導通，使其相應輸出端在上拉電阻的作用下輸出高電平，若導通則輸出端輸出低電平，即輸出了 4位的ニ進制信號并輸入到CPLD控制單元進行處理， 轉換成控制多路選擇器四通道某一通道選通的控制信號S0、SI，這兩位信號與多路選擇器的使能信號EN再經(jīng)過數(shù)字隔離器(ADUM1401)送至多路選擇器選檔電路實現(xiàn)對四通道的控制；外部采集的模擬電壓信號經(jīng)過匹配電阻輸入電路進行信號的衰減，衰減后的模擬信號經(jīng)過嵌位保護電路將信號送入多路選擇器已選好的通道，輸出信號送至放大緩沖電路的運算放大器(AD4851)反相輸入端(2腳)。同時通過匹配電阻值分別為100k、20k、4k、lk 精度均為1%%的電阻作為運算放大器的反饋電阻，來提供四路衰減比(1/6、1/30、1/150、 1/600)，即這四種電阻的匹配把可采集的輸入信號分為了四個檔位(-6V +6V、-30V +30V、-150V +150V以及-600V +600V)，從而實現(xiàn)外部可采集寬至-600V +600V的模擬信號的功能。由模數(shù)轉換器(AD9200)輸出內(nèi)部2V的參考電壓，進行分壓產(chǎn)生IV的電壓， 經(jīng)過電壓跟隨器的電阻匹配和功率提升輸入到運算放大器的正向端(3腳)，使雙極性電壓信號轉換成單極性，即轉換成AD9200可接受的OV 2V的模擬信號，該信號經(jīng)嵌位保護電路保護送入模/數(shù)轉化器(AD9200)的模擬信號輸入端，該模/數(shù)轉化器利用內(nèi)部2V的參考電壓，由CPLD控制單元進行時鐘信號的預分頻，產(chǎn)生模/數(shù)轉化器所需要的時鐘脈沖來啟動轉換，再將轉換后的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字隔離電路送至CPLD控制單元進行數(shù)據(jù)的處理與緩存。下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進ー步說明。本發(fā)明包括匹配電阻輸入電路I、嵌位保護電路2、多路選擇器選檔電路3、放大緩沖電路4、模/數(shù)轉換電路5、數(shù)字隔離電路6、CPLD控制單元7、光電隔離電路8、旋鈕選檔電路9組成。本發(fā)明將可采集范圍為-600V +600V的模擬電壓信號AS，送入600KQ的匹配電阻輸入電路I，對信號進行衰減。嵌位保護電路2，由嵌位ニ極管BAV99組成。對上述匹配電阻輸入電路I衰減后的電壓信號實現(xiàn)嵌位保護，一旦出現(xiàn)高壓時將其嵌位在一定范圍內(nèi)(±5. 7V),使周圍器件免受高壓浪涌沖擊。下述的放大緩沖電路的負端輸入信號，以及輸入到模數(shù)轉換電路的輸入端也設有嵌位保護電路2。多路選擇器選檔電路3，由雙路四通道的模擬多路選擇器74HC4052組成，它接收 CPLD控制單元7送入的控制信號S0、S1，在使能信號EN為低電平時選通模擬前端和放大器輸入端的通道，即S0、SI為00時選通-6V +6V檔位，01時選通-30V +30V檔位，10時選通-150V +150V檔位，11時選通-600V +600V檔位。在多路選擇器的輸出四通道與運放的反相輸入端分別匹配電阻Rl = 100K Q.R2 = 20K Q , R3 = 4K Q , R4 = IK Q作為反饋電阻，使其分別滿足四個檔位的衰減比要求，即劃分成四個檔位。從而實現(xiàn)-600V +600V 范圍的模擬電壓可采集。放大緩沖電路4，配合上述多路選擇器選檔電路對模擬信號進行進一歩調(diào)理。 它通過對多路選擇器的控制，來選擇構成放大緩沖電路中反饋電阻的數(shù)值，從而實現(xiàn)衰減比的變化。它將外部輸入的模擬信號分成4種電壓范圍，分別為-6V +6V、-30V +30V、-150V +150V和-600V +600V，即本發(fā)明中所述的四個檔位。由于經(jīng)放大緩沖電路后產(chǎn)生的信號仍是雙極性信號，這不符合A/D轉換器的輸入要求，故需要進行電壓平移， 本發(fā)明采用將模數(shù)轉換器內(nèi)部2V的參考電壓進行分壓產(chǎn)生IV的電壓，經(jīng)過電壓跟隨器的電阻匹配和功率提升輸入到反相比例放大器的正向端。芯片采用高精度的運算放大器 ADA4851，它是ー款低成本、高速、軌到軌輸出，雙通道的運算放大器?？梢詫崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，精準的數(shù)據(jù)采集性能。模/數(shù)轉換電路5，接收來自放大緩沖電路處理后的0 2V的模擬信號。輸入信號串接ー個10 Q的電阻限流，并使用嵌位保護電路以防止輸入信號超過0 2V的范圍。模數(shù)轉換器采用內(nèi)部2v參考電壓，在CPLD送入時鐘觸發(fā)下實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換。采樣精度可達10 位，最大0. 5LSB的非線性誤差，轉換速率可達20MHz。選用AD9200，該A/D芯片具有ー個片上可編程基準電壓源，采用單時鐘輸入來控制內(nèi)部轉換周期。具有超量程(OTR)標志信號， 表示溢出狀況。采樣保持放大器(SHA)既適用于在連續(xù)通道中切換滿量程電平的多路復用系統(tǒng)，也適合采用最高奈奎斯特速率及更高的頻率對單通道輸入進行采樣。數(shù)字隔離電路6，在本發(fā)明中主要是對模數(shù)轉換電路轉換后的數(shù)字信號Data (0 9)以及觸發(fā)其轉換的時鐘信號CLK、超量程標志的0TR、控制多路選擇器選檔電路3的控制信號S0、S1及使能信號EN進行高速的數(shù)字隔離，共用四片數(shù)字隔離器器件ADUM1401，隔離前后都是單獨供電，供電電壓分別為5V、3. 3V電。本發(fā)明選用ADUM1401，它是ー款采用ADI 公司iCoupler技術的四通道數(shù)字隔離器。這些隔離器件將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術融為一體，可作為優(yōu)于光耦合器等的替代器件。CPLD控制單元7處理來自光電耦合電路的輸出信號0UT_6V，0UT_30V、0UT_150V、 0UT_600V四路檔位信號，以產(chǎn)生多路選擇器選檔電路所需要的控制信號S0、S1以及使能信號EN ；CPLD發(fā)送觸發(fā)模/數(shù)轉換的時鐘信號CLK，并接受經(jīng)模數(shù)轉換后的數(shù)字信號Data進行處理與緩存，接受來自模數(shù)轉換的超量程標志信號0TR，并處理上溢或下溢情況。本發(fā)明選用美國Altera公司的CPLD芯片EPM3256AQC208，該芯片是ー款高性能、低功耗CMOS基于 EEPROM的可編程邏輯器件，3. 3v的供電電壓，可提供5000個邏輯門、256個宏單元，I/O ロ 可達158個，最大延遲時間為7. 5ns, 16個邏輯陣列塊，這些優(yōu)點使得該采集裝置能夠擴展更多的外圍電路使其有更強大的功能，而且有良好的數(shù)據(jù)處理速率、抗干擾能力強。光電耦合隔離電路8與旋鈕選檔電路9的連接，使得外部信號與CPLD芯片完全電氣隔離，既可靠的保護了核心芯片又大大提高系統(tǒng)抗干擾能力。具體是當旋鈕打到rangel 為6V檔，打到range2為30V檔，打到range3為150V檔，打到range4為600V檔，姆個檔位都由兩個500Q的電阻并聯(lián)接入地，保證初始為未選定狀態(tài)。若選定6V檔，由于光耦合隔離器的I腳連接5v電，2腳由rangel接兩只并聯(lián)的500 Q電阻，則光耦合隔離器的1、2引腳的電壓差不足以使內(nèi)部的光電ニ極管導通，其輸出端的16引腳在上拉電阻的作用下輸出為高電平，其他沒選定的檔位4、6、8腳電壓均為0，所以內(nèi)部ニ極管可靠導通，從而使得相應的14、12、10腳均由于地的作用均拉低。設選6v檔位時光電稱合隔離器前端為0111 的數(shù)字信號，則經(jīng)過隔離后輸出0UT_6V，0UT_30V、0UT_150V、0UT_600V為1000的數(shù)字信號， 并送入CPLD控制單元7處理成為多路選擇器選檔電路3四通道選擇的控制信號S0、S1，分別為 00、01、10、11。通過上述的外圍硬件電路可實現(xiàn)高速隔離的寬電壓數(shù)據(jù)采集，采集電壓范圍可達到-600V +600V。本發(fā)明選用復雜可編程邏輯器件(CPLD)作為核心器件進行高速的數(shù)據(jù)處理；選用精密的運算放大器ADA4851，保證數(shù)據(jù)采集的精度；采用高速模數(shù)轉換器 AD9200，進行高速、可靠的數(shù)據(jù)轉換；采用嵌位ニ極管BAV99作為防靜電，放浪涌的保護電路；采用高速數(shù)字隔離器件ADUM1401，實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離保護，濾除干擾、保護外圍器件；利用旋鈕、光電耦合隔離器件設計巧妙的選檔電路，實現(xiàn)外接旋鈕選檔電路與CPLD控制電路間的電氣隔離并消除了噪音。本發(fā)明具有可測電壓范圍寬、采集速率高、精度高、抗干擾能力強以及成本低等特點，可以應用于更多領域。
權利要求
1.一種基于CPLD的寬電壓數(shù)據(jù)采集裝置，包括匹配電阻輸入電路、嵌位保護電路、多路選擇器選檔電路、放大緩沖電路、模/數(shù)轉換電路、數(shù)字隔離電路、CPLD控制單元、光電隔離電路和旋鈕選檔電路，其特征在于所述旋鈕選檔電路的檔位選定信號經(jīng)過光電隔離電路隔離后輸出到CPLD控制單元，成為多路選擇器選檔電路的控制信號，再經(jīng)過數(shù)字隔離器送至多路選擇器選檔電路實現(xiàn)對通道的控制；外部采集的模擬電壓信號經(jīng)過匹配電阻輸入電路進行信號的衰減，衰減后的模擬信號經(jīng)過嵌位保護電路將信號送入多路選擇器已選好的通道，輸出信號送至放大緩沖電路的運算放大器反相端，同時通過運算放大器的不同反饋電阻把采集的輸入信號分為了若干檔位，模/數(shù)轉換電路內(nèi)部2V的參考電壓經(jīng)過電壓跟隨器的電阻匹配和功率提升輸入到運算放大器的正向端，使雙極性電壓信號轉換成單極性，該信號經(jīng)嵌位保護電路保護送入模/數(shù)轉化電路的模擬信號輸入端，模/數(shù)轉換電路在 CPLD送入時鐘觸發(fā)下實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換；轉換后的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字隔離電路送至CPLD控制單元進行數(shù)據(jù)的緩存，并輸出最終測量結果。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于CPLD的寬電壓數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的旋鈕選檔電路的外接旋鈕端Rangel-Range4分別由兩只500Ω的電阻并聯(lián)接到地，保證初始均為未選中狀態(tài)，Rangel-Range4接并聯(lián)的兩只500 Ω的電阻，再分別連接到光電耦合隔離器的2、4、6、8引腳，2、4、6、8引腳分別與供電電源間利用并聯(lián)的二極管、電容和電阻元件電路消抖。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于CPLD的寬電壓數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的反饋電阻的匹配電阻值分別為100k、20k、4k、lk，精度均為1%%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CPLD的寬電壓數(shù)據(jù)采集裝置，旋鈕選檔電路的檔位選定信號經(jīng)過光電隔離電路隔離后輸出到CPLD控制單元，再經(jīng)過數(shù)字隔離器送至多路選擇器選檔電路實現(xiàn)對通道的控制；外部采集的模擬電壓信號經(jīng)過匹配電阻輸入電路進行信號的衰減，經(jīng)過嵌位保護電路將信號送入多路選擇器已選好的通道，輸出信號送至放大緩沖電路的運算放大器，經(jīng)嵌位保護電路保護送入模/數(shù)轉化電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換；轉換后的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字隔離電路送至CPLD控制單元進行數(shù)據(jù)的緩存，并輸出最終測量結果。本發(fā)明能對-600V～+600V的模擬電壓信號進行高速的數(shù)據(jù)采集，大大提高了整個裝置的抗干擾能力。
文檔編號G01R19/25GK102590604SQ201210075700
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權日2012年3月21日
發(fā)明者盧剛, 周勇, 周奇勛, 周廣偉, 孟凡軍, 張松松, 張玉峰, 李鑫, 楊靜偉, 江修立, 王嚴偉, 魏世克 申請人:西北工業(yè)大學