基于FPGA的空間電場信號采集系統(tǒng)設計

摘要：提出一種基于FPGA的空間電場信號數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設計方案，FPGA為主控制器控制A／D采樣和同步422發(fā)送。X，Y，Z三個方向的空間電場信號經(jīng)過信號處理和A／D采樣，在FPGA片內(nèi)濾波劃分為不同的頻段，通過同步422接口發(fā)送到后續(xù)設備。該系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，致力于應用在探空火箭有效載荷——箭載電場儀上，對其他電場信號采集與處理系統(tǒng)也有一定的應用價值。
關鍵詞：FPGA；空間電場信號；數(shù)據(jù)采集；同步422

0 引言
空間電場信號是近地空間很重要的一個參量，它的起伏變化影響到太陽活動、雷暴活動、地震活動及大氣環(huán)境污染等領域。檢測電場的狀態(tài)可以為航天發(fā)射活動提供空間環(huán)境的電狀態(tài)數(shù)據(jù)，國外發(fā)射的許多探測衛(wèi)星和探空火箭都將電場探測作為重要的科學探測目標。
在傳統(tǒng)的探空火箭有效載荷——箭載電場儀中，頻道的劃分往往采用模擬濾波。模擬濾波電路不僅電路龐大，而且無法克服溫度漂移、電壓漂移、噪聲等缺陷，使得應用領域受到局限。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器精度高，靈活性好，可靠性強，更適合應用在性能較高
的系統(tǒng)。本文提出了應用于探空火箭有效載荷的空間電場信號采集系統(tǒng)，頻道劃分采用數(shù)字濾波處理，應用FPGA內(nèi)部的有限脈沖響應的IP核，使用FPGA作為主控制器對空間電場信號進行數(shù)據(jù)采集，發(fā)送給后端的公用設備。

1 系統(tǒng)結構設計
系統(tǒng)結構如圖1所示，包括信號處理電路、A／D采樣電路、同步422發(fā)送電路、電源電路。本文主要介紹傳感器后續(xù)的電路。FPGA對A／D采樣進行控制，整個系統(tǒng)需要5 V，3．3 V，2．5 V等電平，5 V電平由外接電源供給，其他的電平通過5 V轉(zhuǎn)化產(chǎn)生。

1．1 信號處理模塊
該模塊主要作用是將信號負值電壓平移為正值，并將電壓電平平移到后端模塊可以調(diào)整到的幅度范圍之內(nèi)。
該模塊包含兩級：第一級采用低噪聲儀表放大器AD8429，對傳感器傳輸過來的差分信號進行差分放大，AD8429的增益設置計算公式為G=1+6K／RG，其中RG為反饋電阻，對AD8429的增益設置引腳進行開路處理令G=1，相當于將差分信號變?yōu)閱味诵盘?。其中，由于傳感器每個探頭采集到的空間電場信號是在-3～3 V范圍內(nèi)，經(jīng)過差分放大后的信號為-6～6 V，不易于直接輸入A／D采樣電路中，因此需要經(jīng)過第二級的處理。
第二級的信號處理包括增加一個+2．5 V的直流偏置和分壓處理，運算放大器選用的是國家半導體公司的雙通道LM258芯片，電路簡單，經(jīng)過第二級輸出的信號幅值在0．5～4．5 V之間，可以直接輸入A／D采樣電路進行采樣。
1．2 A／D采樣模塊和422發(fā)送模塊
A／D采樣模塊是本系統(tǒng)設計的關鍵，系統(tǒng)性能要求能處理0～1 MHz頻帶范圍內(nèi)的信號，根據(jù)奈奎斯特采樣率，本系統(tǒng)選擇的ADS1610模塊采樣率達到10 MSPS，是一款高速、高精度的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并且ADS1610的控制信號很豐富，便于FPGA對采樣電路進行控制。ADS的電源和地按照推薦電路配置，注意去耦電容放置的位置要離電源和地的輸入引腳近一些，電容值越小的離引腳越近，這樣使得去耦效果更好，模擬地和數(shù)字地之間僅僅在一點用0 Ω的電阻相連。
值得注意的是，ADS需要外圍電路提供4 V，1 V，2．5 V三個參考電壓，通過運算放大器OPA2822正向輸入端輸入，經(jīng)過若干去耦電容后分別進入ADS1610的VREFP，VREFN，VMID三個參考電壓輸入引腳。
同步發(fā)送模塊選用DS26LV31AT，如圖1所示，由FPGA控制使能信號，輸出時鐘、數(shù)據(jù)、輸出使能等信號，發(fā)送給后端檢測設備。