下载文档原格式
基于FPGA的多通道数据采集系统设计大地电磁场携带着地球内部的结构、构造、温度、压力以及物质成分的物理状态等信息，为人们讨论板块运动的逻辑、追溯地球的演变历史提供了科学依据。
大地电磁探测是讨论大陆岩石圈导电性结构的有效办法之一，使人们从电性角度熟悉地球内部的构造形态，达到了解地下不同深度地质状况的目的。
该技术应用前景广泛，可用于地下更深层找矿、找水、找油、监测海底潜艇等，对国民经济和国防的进展都有重要的推进作用。
最常用的数据采集计划多以为核心，控制多路信号的采集及处理。
但因为本身的命令周期以及处理速度的影响，对于多通道A/D举行控制及数据处理，一般的MCU往往不简单达到要求。
考虑到器件的高集成度、内部资源丰盛、特殊适合处理多路并行数据等显然优于一般微处理器的特点，并针对大地电磁数据采集系统对实时性和同步性的要求，本文提出了一种多通道数据采集计划。
采纳FPGA与相结合的设计，采集主控制规律用FPGA实现，ARM用来实现采集数据的存储和数据传输控制。
1 系统总体结构系统总体结构1所示。
A/D转换器采纳TI公司的24位高精度模数转换器ADS1255；FPGA采纳公司的EP2C35；ARM为ARM9内核的处理器。
双口RAM由EP2C35内部存储器块配置而成，该双口RAM与ARM的系统相连，映射为ARM的一块内存区。
AD前端处理的作用是实现对信号的放大、衰减以及阻抗匹配，从而满足对输入信号的要求。
滤波网络滤除高频噪声和工频信号的干扰，增益放大通过ARM给出的控制信号实现对模拟信号的不同增益的放大处理。
ADS1255负责把模拟电信号转换成数字信号，可以通过功能挑选设置ADS1255工作在不同的工作模式下。
ADS1255的工作时钟由FPGA 提供，转变FPGA输出时钟的频率就能实现AD采样率的转变。
FPGA并行控制5路AD的数据采集，并把采集到的各路数据按挨次以字节的形式写入双口RAM中缓存。
FPGA对双口RAM的数据写入和ARM对数据的读取是通过乒乓传输结构实现的。
第24卷 第6期2017年6月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONEIC Vol.242017 No.6基于FPGA多通道数据采集系统的设计刘立军（辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009）摘 要：设计了一种多通道数据采集系统，系统以FPGA作为时序逻辑控制和数据处理的核心，实现了四路传感器信号同步转换数据到FLASH存储器的数据存储方式。
系统硬件电路和软件程序的编写均采用模块化设计，具有较强的可移植性。
该数据采集系统运行稳定、可靠，具有一定的工程实用价值。
关键词：多通道；时序逻辑；数据处理；模块化中图分类号：TP274 文献标志码：AThe Design of Multi Channel Data Acquisition System Based on FPGALiu Lijun（Liaoning mechatronics college，Liaoning，Dandong，118009，China）Abstract: The design of a multi-channel data acquisition system, the system uses FPGA as the logic control and data processing core, it achieved four sensor signal synchronous conversion data to the data storage of FLASH memory. The hardware circuit and software program of the system are designed with modular design, which has strong portability. The sampling frequency of the sys-tem is up to 2MHz, the data acquisition system is stable and reliable, and has certain practical value in engineering.Key words: multi channel；temporal logic；data processing；modularization收稿日期：2017-03-24基金项目：辽宁机电职业技术学院2017教研立项项目（JYLX2017022）。
基于FPGA的多通道模拟量采集电路设计蔡晓乐;车炯晖;吴斌;荆立雄【期刊名称】《航空计算技术》【年(卷),期】2018(048)002【摘要】针对机载系统多通道模拟量采集处理的要求,研究了基于FPGA的多通道模拟量采集电路的设计.介绍了针对模拟量采集的前端信号调理电路的设计,包括滤波电路和双向限幅电路等.同时研究了利用FPGA控制多级多路模拟开关,通过轮转和多次测量等方法实现模拟信号到数字信号的高精度转换和记录,分析了设计电路的特性,包括高精度、高可靠性和多通道数等优点.最后经过实验测试,系统能够很好地实现多通道模拟量采集的需求,同时具有很高的转换精度.%In allusion to the requirement of multi-channel analog acquisition for airborne system,this pa-per proposes a circuit of multi-channel analog acquisition.A front-end signal conditioning circuit was de-signed for the analogacquisition,including filter circuit and the bipolar diode limitercircuit.Multistage multiplex switches control method with multiple measurements and polling way using FPGA is proposed to realize the conversion and record of analog signal to digital signal.Theoretical analysis shows that the pro-posed circuit has the advantages in acquisition precision,reliability and the multi-channel ability.Experi-mental results show that the system can meet the requirement of multi-channel analog acquisition well and has high conversion accuracy.【总页数】5页(P101-104,108)【作者】蔡晓乐;车炯晖;吴斌;荆立雄【作者单位】航空工业西安航空计算技术研究所,陕西西安710068;航空工业西安航空计算技术研究所,陕西西安710068;航空工业西安航空计算技术研究所,陕西西安710068;航空工业西安航空计算技术研究所,陕西西安710068【正文语种】中文【中图分类】V247.12;TP274【相关文献】1.多通道模拟量采集电路设计探讨 [J], 江耿丰;张兴国;冯丹2.基于FPGA的多通道数据隔离采集电路设计 [J], 张伟;任勇峰;孙涛;程惠3.基于FPGA的多通道信号采集电路设计 [J], 储成君;任勇峰;刘东海;储成群4.基于FPGA的多通道模拟量采集/输出PCI板卡的研制 [J], 徐燕;毛师彬;汤永东;白煊5.基于Cortex-M4医疗设备多通道模拟量采集器的设计 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于FPGA的多通道数据采集系统设计与实现摘要：近年来，随着国内航空事业的高速发展，现代空情变得日益复杂，航管雷达目标数据和地空话音通信数据作为航空空情数据保存以及事故分析的主要手段，在空管自动化系统中发挥越来越重要的作用。
其记录系统运行的稳定性、数据记录和回放的真实性是重要空情重演、异常事故分析准确可靠的关键因素。
在航管系统应用中，记录重演系统往往具有数据量大、记录通道多，数据的可靠性、实时性以及设备模块化要求高，并且要求长时间持续不断地进行记录和处理。
为此，文章对基于FPGA的多通道数据采集系统设计与实现方面展开详细研究，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。
关键词：数据采集；信号处理；FPGA引言：为适应当前日益复杂的空情，提高航管数据采集的精确性和可靠性，设计了一种多通道雷达话音数据采集系统。
给出了系统硬件设计架构，利用FPGA作为数据采集和逻辑控制核心，实现了16路话音数据编解码以及８路雷达数据采集和转换。
应用层软件采用多线程开发技术和原子访问内存共享设计方案，提高了业务运行的效率以及系统的可靠性。
硬件电路及应用软件实现均采用模块化设计，具有良好的可移植性。
最后，对设计的系统进行了多通道话音和大时段大数据量雷达数据采集回放测试，并对话音和雷达数据采集误差精度进行了分析，验证了系统的可靠性和精确性。
1、系统硬件架构设计数据采集系统硬件系统由以下几个模块组成：MCU控制模块、FPGA算法模块、RS232雷达数据接收串口、FXO/FXS语音、时钟模块、电源模块、连接器等；其中MCU系统是本板的控制单元，完成对板上芯片初始化、性能检测以及通过串口实现本板与其他单板的通信；FPGA模块主要对采集的雷达数据和语音信号进行监控和记录，实现机场空管部门指挥调度的语音通话和雷达探测数据的同步记录和同步回放功能；RS232雷达数据采集串口模块实现简化的三线异步RS232接口的电平转换；FXO/FXS语音模块完成FXO/FXS语音信号的数字化，支持软件切换FXS或者FXO工作模式；时钟模块负责时钟产生、时钟驱动，为各模块提供所需要的时钟；电源模块提供整板各模块所需要的工作电压。
基于FPGA的多通道同步数据采集系统设计的开题报告一、研究背景及意义现今科学技术的发展离不开数据采集系统的支持，特别是对于多通道同步数据采集需求的应用场景，如地震观测、医学信号测量、声学分析等方面，需要高效、准确地采集各通道信号，并进行后续处理。
传统的基于单片机或DSP的数据采集系统受限于计算速度和存储容量，很难满足多通道大规模数据采集的实时要求，因此需要一种高性能、可扩展性强的解决方案。
FPGA（Field Programmable Gate Array）作为一种可编程逻辑芯片，能够在硬件层面完成指定的计算任务，具有并发处理能力、低功耗、高速度等优点，因此被广泛应用于科学研究和工业应用领域。
基于FPGA的数据采集系统不仅能够实现多通道同步数据采集，而且具有高速率和实时性，可以满足各种应用场景的需求。
本课题旨在设计一种基于FPGA的多通道同步数据采集系统，能够高效采集并存储多通道信号，具有高带宽和实时性，为相关领域研究提供支持和帮助。
二、研究内容及关键技术1. 多通道信号采集：设计多通道ADC（Analog-to-Digital Converter）接口电路，通过FPGA进行并行采集多路模拟信号，并将其转换为数字信号。
2. 同步采集控制：设计同步模块实现各通道信号的同步采集控制，保证数据的同步性和可靠性。
采用外部触发方式，通过引入时钟信号对多通道ADC进行同步采集。
3. 数据存储和处理：将采集到的数据通过高速接口（如DDR2/DDR3）传输到FPGA内部或外部存储器进行存储，实现高速率、大容量的数据存储和后续处理。
4. 系统性能优化：优化系统性能，如降低功耗、提高采样速度和精度等，以适应不同应用场景的需求。
三、研究对象与方法1. 硬件实现：选用FPGA芯片作为核心器件，通过Verilog HDL等硬件描述语言编写设计代码进行FPGA开发与实现。
2. 软件开发：对于设计的数据采集系统，需要进行软件平台的开发工作，包括FPGA设计工具、数据处理和存储相关软件等。
一种基于FPGA的多通道数据采集系统设计简志景0#4#梁昊-4(1.中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室，安徽合肥230026；2.中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥230026)摘要：设计并实现了一种基于FPGA的四通道数据采集系统$系统由65MS/s的模数转换器AD9219实现对信号的高速采样$为满足采集数据实时存储的要求，设计了高速、大容量的DDR2硬件电路和接口逻辑$采集数据可通过USB接口上传至上位机，上位机负责数据的保存、处理和显示，同时控制数模转换器以直接数字合成的方式输出波形$测试结果表明，系统运行稳定可靠，可灵活控制$该系统为高性能数据采集提供了一套包括软硬件的整体解决方案，可以满足低温等离子诊断的要求$关键词：现场可编程门阵列；多通道数据采集；模数转换器；DDR2SDRAM中图分类号：TP216文献标识码：A DOI:10.19358/j.issn.2096-5133.2020.09.002引用格式：简志景,梁昊.一种基于FPGA的多通道数据采集系统设计[J].信息技术与网络安全,2020,39 (9):6-11.Design of multi-channel data acquisition system based on FPGAJian Zhijing1，2,Liang Hao1，2(1.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics,University of Science and Technology of China,Hefei230026,China；2.Department of Modern Physics,University of Science and Technology of China,Hefei230026,China)Abstract:A four-channel data acquisition system based on FPGA is designed and implemented.The system uses65MS/s Analog-to-Digital Convert(ADC)AD9219to realize high speed sampling.In order to meet the requirements of real一time storage of collected data,a high-speed and high-capacity DDR2hardware circuit and interface logic are designed.ADC data can be uploaded to the host computer through the USB interface.The host computer is responsible for the data storage,processing and visualizing.It can also control the Digital-to-Analog Convert(DAC)to output waveforms in the way of direct digital synthesis.The test results show that the system is stable,reliable and can be controlled flexibly.The system,including software and hardware,provides an overall solution for high-performance data acquisition,which can meet the requirements of low-temperature plasma diagnosis.Key words:FPGA；multi-channel data acquisition；ADC；DDR2SDRAM0引言在低温等离子体诊断领域,Langmuir单探针方法由于结构简单、测量范围大和结果可靠而被广泛应用#目前以单片机为主控芯片的传统诊断设备采样率较低,一般不超过400kS/s[1],甚至只有38kS/s[2],这些设备的ADC数据接口通常采用SPI或I2C,数据传输能力有限,而且数据处理大多依赖软件设计,难以满足现在高速、高精度、长时间和大容量的测量要求[3]$准确高效地获取这些数据对等离子体特性的研究有重要意义$为了提高诊断结果的准确性,需要采集大量的实验数据$本文提出了一套基于FPGA的四通道数据采集硬件系统,每通道采样率为65MS/s,硬件中的ADC与FPGA之间采用高速LVDS信号进行数据传输,并且完成了基于.net框架下WPF技术的上位机可视化软件开发，实现了高速、大容量的数据采集、处理和显示$该系统可以由上位机灵活控制并长期稳定运行$1系统总体架构设计FPGA作为主控芯片控制数模转换器(DAC)输出 激励波形如三角波、锯齿波和正弦波等，波形的幅度、频率和相位等均可由用户在上位机设置#DAC 产生的波形信号经过电压放大和功率放大后施加在等离子体上进行扫描$通过采样电阻将微弱的电流信号转换为电压信号，放大后的电压信号被模数转换器(ADC)采集%传输给FPGA并缓存在DDR2中，当缓存达到所要求的数据量时,上位机控制FPGA 将DDR2中的数据通过USB上传、保存、处理和显示$系统总体结构如图1所示$图1系统总体框图2器件选型2.1FPGA选型FPGA作为系统控制的核心,为系统提供了足够强大的可重构能力，选型时需要兼顾性能与成本$本设计选用了Intel公司Cyclone III系列的EP3C25F324C6芯片=4>,该芯片成本低，具有丰富的逻辑资源，包括24624个逻辑单元，608256bit片上存储空间,4个锁相环，215个可用I/O，其中高速差分引脚83对，最高数据速率875Mb/s，C6系列速度等级最高，可支持最高200MHz时钟频率的DDR2，完全能够满足系统的要求$为FPGA设计了JTAG和AS两种配置接口，JTAG可以将配置逻辑下载到FPGA并使用SignalTap读回数据，方便调试，但由于SRAM工艺的FPGA掉电后数据不能保存，因此需要AS方式将配置逻辑烧录到非易失性的EPCS中存储$2.2ADC选型为了实现对等离子体数据的高速数字化，系统采用了ADI公司的AD9219模数转换芯片=5>，AD9219是内置4个独立通道的ADC，采样率为65MS/s，分辨率10bit$AD9219的模拟输入和数字输出都是差分信号，输出为650Mb/s的高速LVDS信号，差分输入范围为2Vpp$2.3其他器件选型DAC采用了双通道12位的AD5405，刷新频率可以达到21.3MS/s$DAC电路设计为单极性输出，输出电压符合：!our=-!關!"⑴其中!ref为DAC的参考电压，D为从0到4095的数字码值，分辨率#为12$DDR2SDRAM存储芯片选用了Micro公司的MT47H32M16NF颗粒$DDR2在与FPGA进行连接时，应将DDR2的DQS管脚和DM管脚与FPGA中相关管脚相连，因为通过这些管脚的信号工作频率较高，对信号完整性要求也比较高$FPGA不同Bank所能支持DDR2的最大工作频率不同两，使用底部或顶部Bank可以支持到200MHz，而左右Bank仅能支持到167MHz$本设计选择了底部Bank放置相关接口，在200MHz工作频率下理论带宽可达6400Mb/s，可以满足四通道ADC共计2600Mb/s的数据传输要求$容量为512Mb，用来缓存获取的大量数据$ 3FPGA逻辑本设计采用Verilog语言在Quartus II13.0上实现了ADC数据采集%DDR2控制和直接数字合成(DDS)等功能，在完成仿真％综合％布局布线后，生成了下载文件#FPGA总体逻辑框图如图2所示#IJSB 图2FPGA总体逻辑框图I)I)R2a nm1—Kt\r ir v Controller—丿3.1ADC数据采集逻辑FPGA在接收ADC输出的高速LVDS串行信号时，需要考虑数据输出时钟(Data Clock Output，DCO)边沿与数据边沿所存在的相位差，这种相位差主要来自ADC自身，AD9219中约为770ps,此外_不同的电路板走线长度也会产生延时差，在硬件布局布线设计中可以对板上走线延时设置约束,本设计中时钟和数据走线延时差小于5ps。
0 引言随着军事、工业、农业的不断发展，各种被检测的数据对象越来越多，并且对系统采集数据的精度与速度都提出了更高的要求，尤其对多路信号的采集系统的设计。
传统的多通道模拟量数据采集存储的控制核心一般采用单片机、DSP，在分析和比较传统的数据采集模型后，系统采用FPGA 作为核心控制器件[1]。
1 技术要求同时对幅度0V ～5V 的32路模拟量信号进行采集、编帧和存储，采样字长16位，单通道采样率不超过25KHz 存储容量不小于1Gbyte。
2 系统总体方案图1 系统结构图系统实现方案如下图1所示， 32路输入模拟信号，16路为一组，输出的信号进过调理输入给AD7667，FPGA 处理AD7667输出的数据，并将采集得到的数据存储至flash，同时也将数据上传至上位机实时监测。
3 系统电路设计3.1 驱动与信号调理电路设计信号调理电路如图2所示，为了使整个电路与外界隔离，本设计中使用了信号电压跟随器[2] 。
本系统被采集信号的幅值是0~5V，AD7667输入范围是0~2.5V，设计用了一对10kΩ的高精密电阻对输入模拟信号进行分压。
图2 AD7667驱动电路AD7667的驱动放大器需满足以下条件：(1)运放输出稳定数据采集所需时间必须小于AD7667的采样时间，保证转换精确。
(2)选用低噪声的运放，保证AD7667的信噪比。
信噪比降低程度公式：SNR LOSS =20LOG（2-328784()2dB N f N e π+⋅）3，主要包括数据采集控制模块、、flash 读写控制模块、下发命令识别与数据上传模块。
本系统使用了一种称为中值数绝对偏差发的滤波算法，具体流程就是采用一个移动窗口X 0（G），X 1（G），……，X N-1（G），利用前N 个数据来确定下一个传输个数据的有效性。
具体算法[3]为:(1)先计算窗口序列X 0(G)，X 1(G)，……，X N-1(G)的中值K ；(2)计算序列|X 0-K|，|X 1(k)-K|，……，|X m-1(k)-K|的中值d，令W=1.4826*d ；(3)令q=|X N (k)-K|，如果q<A*W 则输出Y N (G)= X N (G)，否则输出Y N (G)=K。
FPGA课程设计题目：基于FPGA的多通道采样系统设计院（系）：电气工程及其自动化学院专业：电子信息工程12-01摘要本论文介绍了基于FPGA的多通道采样系统的设计。
用FPGA设计一个多通道采样控制器，利用VHDL语言设计有限状态机来实现对AD7892的控制。
由于FPGA器件的特性是可以实现高速工作，为此模拟信号选用音频信号。
由于音频信号的频率是20Hz-20KHz,这样就对AD转换的速率有很高的要求.因为FPGA的功能很强大，所以我们把系统的许多功能都集成到FPGA器件中，例如AD通道选择部分，串并输出控制模块，这样使得整个系统的外围电路简单、系统的稳定性强。
FPGA的配置模式选用被动串行模式，这样就增强了系统的可扩展性。
输出模式可选择性使得系统的应用相当广泛，串行输出可以用于通信信号的采集，方便调制后发射到远程接受端，远程接收端对采集的数据进行解调；而并行输出模式则可以通过高速存储器将采集的信号放到微机或者其他的处理器上，根据采集的数据进行相应的控制。
此系统的缺点是由于FPGA器件配置是基于SRAM查找表单元，编程的信息是保持在SRAM中，但SRAM在掉电后编程信息立即丢失，所以每次系统上电都需要重新配置芯片，这对在野外作业的工作人员很不方便，解决的方法是专用的配置器件来配置FPGA，在每次系统上电的时候会自动把编程信息配置到FPGA芯片中。
但设计中没有采用到这种配置方案主要是考虑到专用配置器件的价格问题。
本文开始介绍了多通道系统的组成部分，然后分别介绍了各个组成部分的原理和设计方法,其中重点介绍了FPGA软件设计部分。
还对当前十分流行的基于FPGA的设计技术作了简单的阐述，最后对系统的调试和应用作了简短的说明。
关键词：音频放大；滤波器；FPGA；VHDL；AD7892；有限状态机；目录摘要 (2)引言 (3)1题目来源 (3)2研究意义 (3)3多通道采样系统的组成 (3)4方案设计 (4)5 单元电路的设计 (4)5.1音频放大、滤波部分 (4)(1)音频放大部分 (4)(2)有源滤波器的设计 (4)5.2 AD采样电路 (5)5.3 FPGA控制部分 (5)(1)通道选择模块 (6)(2)延时模块的设计 (6)(3)串并输出选择控制 (7)5.4 FPGA的硬件设计 (8)6 软件介绍 (8)7 整机调试 (8)7.1 硬件电路的调试步骤 (8)(1)音频放大部分调试 (8)(2)滤波部分调试 (8)(3)FPGA硬件电路调试 (9)(4)AD采样模块调试 (9)(5) 联机调试 (9)8 结论 (9)参考文献 (10)附录 (11)引言FPGA（Field-Programmable Gate Array 现场可编程门阵列）是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度（单片集成的系统门数达上千万门）、高速（200MHz 以上）、在线系统可编程等优点，为数字系统的设计带来了突破性变革，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，提高了单片数字系统的设计周期、设计灵活性和可靠性。
基于FPGA的多通道数据采集系统的设计
史籍;常越;李海国
【期刊名称】《电气自动化》
【年(卷),期】2016(038)001
【摘要】介绍了一种基于MachX02 4000ZE系列的FPGA芯片和模数转换芯片AD7356的多通道数据采集系统,采样率最高可达到5Msps.系统采用多个AD芯片来实现多路模拟量的实时采集.通过verilog编程语言实现FPGA芯片对AD转换的时序控制.FPGA内嵌的双口RAM作为数据缓存器来存储转换结果.通过FPGA 控制单元对AD转换部分和数据缓存部分的控制可实现数据采集与数据输出的同时执行.阐述了系统的构成以及各个部分的工作原理,着重分析了FPGA控制策略和数据缓存的实现,并使用Modelsim仿真软件进行仿真与分析.
【总页数】4页(P15-18)
【作者】史籍;常越;李海国
【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200000;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200000;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200000
【正文语种】中文
【中图分类】TP930.12
【相关文献】
1.基于FPGA的多通道同步实时高速数据采集系统设计 [J], 易志强;韩宾;江虹;张秋云
2.一种基于FPGA的多通道数据采集系统设计 [J], 简志景;梁昊
3.一种基于FPGA的多通道数据采集系统设计 [J], 简志景;梁昊
4.基于FPGA的多通道数据采集系统设计 [J], 聂国政;聂维新
5.基于FPGA的多通道数据采集系统设计应用 [J], 王旭东;陈涛;郑磊
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于FPGA的数据采集系统电路设计数据采集系统是指将各种实际物理量（如温度、湿度、压力等）进行采集、转换和存储，并通过通信方式传输给计算机或其他设备进行处理和分析的系统。
其中，FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程的逻辑器件，能够自定义电路架构来实现各种功能。
在基于FPGA的数据采集系统电路设计中，我们需要考虑以下几个方面：输入电路、数据转换电路、存储电路、通信电路以及控制电路。
下面将对每个方面进行详细介绍。
首先是输入电路。
输入电路用于将外部的物理量转换为电信号，一般采用传感器来实现。
不同的传感器具有不同的特性和信号输出方式，因此需要针对具体的传感器进行电路设计。
例如，温度传感器的电路设计可以包括电压放大器、温度传感元件和滤波电路等。
接下来是数据转换电路。
数据转换电路将输入的模拟信号转换为数字信号，并使用FPGA中的模数转换器（ADC）进行采样。
ADC的选型和电路设计需要根据采样速率、精度和信号波形等要求进行优化。
一般可以采用Σ-Δ模数转换器或者逐次逼近型模数转换器。
然后是存储电路。
存储电路用于将采集到的数据进行临时存储，以便后续的处理和分析。
FPGA内部存储器可以用于存储少量的数据，但对于大量的数据存储，一般需要外部的存储器。
常见的外部存储器包括闪存、SD卡和硬盘等。
接下来是通信电路。
通信电路用于将采集到的数据传输到计算机或其他设备进行进一步处理和分析。
常用的通信方式包括串口通信、以太网通信和无线通信等。
在电路设计中，需要根据具体的通信方式选择合适的芯片和协议。
最后是控制电路。
控制电路用于控制整个数据采集系统的工作流程，包括采样频率、存储方式和通信方式等。
在FPGA中可以使用状态机来实现控制逻辑，也可以使用外部的控制器（如微处理器或微控制器）。
总的来说，基于FPGA的数据采集系统电路设计需要综合考虑输入电路、数据转换电路、存储电路、通信电路和控制电路等方面的要求。
doi ：10．3969/j．issn．1671-1041．2011．05．027基于FPGA 的数据采集系统中20MHz 模拟通道设计曹保银（宿州学院机械与电子工程学院，宿州23400）摘要：数据采集系统就是为了完成数据采集过程，由为了完成某些特定信号或一组信号而由一系列软件和硬件组成的软硬件系统。
模拟通道作为数据采集系统中的关键部分组成部分之一，其性能指标直接制约了数据采集系统的发展，如何使模拟通道具有更高的带宽，更好的交直流性能，更低的噪声，成为了数据采集系统中模拟通道设计研究的主要内容和关键内容。
关键词：信号调理；高速运算放大器；模数转换器；VGA ；高速比较器；触发中图分类号：TP 274．2文献标志码：BThe design based on FPGA of 20MHz analog channels in the data acquisition systemCAO Bao-yin（Suzhou College College of Machine and Electronic Engineering 23400，China ）Abstract ：Data acquisition system is to complete the data collection process ，from order to complete some specific signal ，or a group of signals consists of a series of software and hardware components of the software and hardware systems．Analog channel data acquisition system as a key component of some of its performance constraints for the development of data acquisition system ，how is the analog channels with higher bandwidth ，better AC and DC performance ，lower noise ，as the data acquisition system design of analog channels the main content and key content．Key words ：signal conditioning ，high-speed operational amplifier ，ADC ，VGA ，high-speed comparator ，triggering 0引言广义上说数据采集是指为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。
工业时代的数据采集过程需要大量的人工参与，过程复杂，精度低，耗时长，由于过多的人工的参与必然导致错误率的上升。
随着技术的发展，人类进入信息化时代，以计算机和数字化器件为代表的信息计算发展迅速，数据采集技术自然而然的与现代信息技术溶为一体，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合进行测量，成为了当今现代数据采集系统的普遍特征［1］［2］。
典型数据采集系统结构如图1所示。
图1典型数据采集系统结构如图1所示，一个基本数据采集系统主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分，模拟部分主要由信号调理通道和触发通道以及一些附属的控制电路组成，他们的功能是把被测信号可控的调节到模数转换器的输入量程之内，以适应模数转换的要求。
数字部分主要完成两大功能［2］［3］：1）控制整个系统的运行；2）采集存储，处理发送经过数字化的数据信息。
其主要由MCU ，DSP ，FPGA ，PC 或工控机等组成。
在某些应用中，数据采集系统可以配有显示屏，触摸板等人机交互系统。
同时可能带有以太网，RS-485，RS-232，USB 等通信总线，由此数据采集系统可以独立主机的形式或是集群节点的形式运行，以满足不同的应用需求。
数字化仪器是数据采集的一个重要应用领域，不得不提到的就是美国泰克公司和美国安捷伦公司，他们作为世界领先的数字存储设备以及其他数字化仪器的先进供应商，其数字存储示波器的模拟带宽和采样率不断刷新业界记录，模拟通道作为数字存储示波器的关键部件，其性能的高低一直是制约数字存储示波器的关键因素。
泰克和安捷伦公司都使用了集成化模拟通道设计，目前泰克公司提供的数字存储示波器的模拟带宽已经达到了20GHz ，采样率达到了50GSPS ，其售价一般在单台20万美元。
高性能数字存储示波器广泛的应用于高速系统的信号抖动测量，高速差分串行信号测量，射频信号测量等。
安捷伦公司作为另一家全球先进的仪器制造厂商，其产品涉及军事，医疗，工业，民用，实验室，以及教育领域。
其在数字存储示波器产品上也代表了全球最高水平其目前产品中有模拟带宽为13GHz ，实时采样率为40GSPS 的数字存储示波器。
相对于国外水平国内数据采集技术尚处于起步阶段，具有代表性的国内厂商主要是北京普源和扬州绿杨，北京普源是一家本土的一起制造厂商，其数字存数示波的模拟带宽从20MHz —300MHz ，采样率从200MSPS —2GSPS ，这已经是国内的最高水平，但是相对与国外产品还是有非常大的差距，扬州绿杨是另一家本土仪器设备厂商，其产品性能略低于北京普源的产品。
造成国内产品在性能上与国外有巨大差距的原因主要是：国内的芯片研发和制造技术严重落后与国外，国外的数字仪器的模拟通道设计往往是把各种分立的运放，比较器甚至是连同模数转换器集成于一块独立的芯片中，而国内现在还处于基于分立元件的组合设计上，高频段的信号对电路的连线长度，通道的一致性，温度的一致性，电路基板的介电常数的一致性有非常苛刻的要求，而这些要求是分立元件难以满足的，所以目前国内产品在性能上严重受制于芯片设计和制造技术上。
20MHz 模拟通道的设计［4］［5］［6］［7］，主要包括信号调理通道、触发通道和控制通道的设计。
通道设计有关问题介绍如下。
1信号调理通道的设计数字采集系统的必须环节是模拟信号的数字化处理，所以模数转换器［4］（ADC ，以下简称ADC ）是系统中必须器件，然而ADC 对输入信号的幅度，基线，频率有一定要求，所以信号调理通道的作用就是把不能满足ADC 输入要求的待测信号调节到ADC 的输入范围之内，并且这种调节是可以人为定量控制的。
其信道调理通道的结构框图如2所示。
图2信道调理通道的结构框图待测信号先经过耦合切换，来决定信号进入系统的耦合方式，由于信号调理通道工作在正负5V 电源轨上，所以如果输入的信号大于系统电源轨，则需要预先分压，另一方面组成信号调理通道的高速运放往往在信号幅度较小的时候，会取得更好的性能，所以信号调理通道是按照先衰减再放大工作的。
信号在经过程控放大后进入电平移位级，电平移位级将放大到适合幅度的信号的基线移位至ADC 的要求后，信号被送往ADC 完成量化。
2触发通道的设计数据采集系统采集的数据量是巨大，然而并不一定所有的数据都是我们需要的，如果我们只想观察电源上电那一瞬间的过程，或者是当发现信号上偶发的毛刺之后，才开始记录。
另一方面由于数据采集系统所配备的高速存储器是有限的，而在采样速度非常快时，就无法一直不停的连续采样，这时数据采集系统会工作在采样，缓存，发送，这样的循环中，如果此时我们采集的是一个正弦信号，那么在每次数据采集，采集系统必须从同一个起始点开始采集，这样发送到屏幕的波形才是一个稳定的信号波形，否则可能会出现波形重叠，抖动等现象，这样的问题在数字存储示波器中是时常发生的。
其触发通道结构框图如图3所示。
系统预设电压作为高速比较器的一个输入，而高速比较器的另一个输入来自信号调理电源的每个信号调理通道的触发信号是来自高速比较器中待测信号的当前值与系统预设的电平值比较而来的，触发信号将被馈送到数据采集系统的负责采集控制的FPGA 或者是MCU ，DSP 等数字器件作为启动采样的信号。
数据采集系统的控制部分通过操作DAC 来产生一个输出，也就是调理后的待测信号，如果信号调理的输出大于系统的预设电平，则比较器输出高电平，反之输出低电平，在本设计中比较器的输出电平是3．3V-LVTTL 兼容的。
这种电平标准时当今最广泛的电平标准之一。
图3触发通道结构框图3控制通道的设计如果把数据采集系统的组成硬件分成模拟部分和数字部分两大类，那么控制通道的作用就是提供一个适合的接口可使数字部分控制模拟部分。
本系统中对控制通道的设计大致分为4部分：1）对高压衰减级的控制；2）对程控放大级的控制；3）对程控移位级的控制；4）对触发通道的控制。
其控制通道的结构框图如图4所示。
FPGA 发出两类控制信号：其一是通过DAC 产生的电压信号用于控制信号调理通道程控放大级的增益，以及电平移位级的移位电平，还有触发通道的触发比较电平；其二是通过串并准换后的开关信号，用于信号调理通路前段的高压衰减级控制。
图4控制通道的结构框图4PCB 中抗干扰的设计1）相邻导线的干扰在布线时应遵守3W 原则，即线间距要大于线宽的3倍，同时应在PCB 底面连续覆铜，这样可以阻断导线周围磁场，也能在一定限度上减小线间干扰。
本设计为双通道设计，在PCB 布局上两个通道要尽量远离，这样可以防止通道串扰。
2）外界电磁干扰在电路板上方焊接金属壳，并将金属壳接地，作为对外电磁波的屏蔽体，可以减少外界电磁干扰。
5PCB 中高速运放布线［10］1）减小寄生效应寄生效应就是当电路工作频率升高到一定程度后，线性元件变成了非线性元件，比如电容，电阻，导线，焊盘，过孔等等，有他们产生的寄生电容和寄生电感对高速模拟电路的破坏巨大。
典型运放电路在不考虑寄生效应的电路图如图5所示。
图5不考虑寄生效应的运放电路图高频时考虑电路寄生效应后的电路图［7］［9］如图6所示。
图6考虑寄生效应的运放电路图总的来说寄生效应主要来这些方面：导线上的寄生电容，焊盘的寄生电容，导线与地平面的寄生电容。
AD8065的幅频响应曲线可以帮助我们直观的了解寄生效应的带来危害，如图7所示。
图7寄生效应的带来的危害图从上图可以看出运放的负载电容越大，幅频曲线上的峰越高，这会造成信号的过冲和震荡。
而寄生电容会进一步恶化这种情况。
在设计PCB 时高速运放下部的覆铜一定要挖掉，尽量少打过孔，这样可减轻寄生效应。
2）电源旁路设计［9］前边的段落中提到，电源旁路可以减少电源噪声的影响，图8给出不同电容阻抗与噪声频率的曲线。
图8不同电容阻抗与噪声频率的曲线可以看出电容越小其高频阻抗越小，可以在运放的电源脚放在不同容值电容的组合从而形成一个宽屏带的噪声低阻通路用于旁路噪声信号，减少对运放的干扰。
