基于FPGA的空間電場信號采集系統設計

摘要：提出一種基于FPGA的空間電場信號數據采集與處理系統的設計方案，FPGA為主控制器控制A／D采樣和同步422發送。X，Y，Z三個方向的空間電場信號經過信號處理和A／D采樣，在FPGA片內濾波劃分為不同的頻段，通過同步422接口發送到后續設備。該系統性能可靠穩定，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也有一定的應用價值。
關鍵詞：FPGA；空間電場信號；數據采集；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、地震活動及大氣環境污染等領域。檢測電場的狀態可以為航天發射活動提供空間環境的電狀態數據，國外發射的許多探測衛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。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，頻道劃分采用數字濾波處理，應用FPGA內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據采集，發送給后端的公用設備。

1 系統結構設計
系統結構如圖1所示，包括信號處理電路、A／D采樣電路、同步422發送電路、電源電路。本文主要介紹傳感器后續的電路。FPGA對A／D采樣進行控制，整個系統需要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轉化產生。

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整到的幅度范圍之內。
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為單端信號。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，經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發送模塊
A／D采樣模塊是本系統設計的關鍵，系統性能要求能處理0～1 MHz頻帶范圍內的信號，根據奈奎斯特采樣率，本系統選擇的ADS1610模塊采樣率達到10 MSPS，是一款高速、高精度的模擬數字轉換器，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。
同步發送模塊選用DS26LV31AT，如圖1所示，由FPGA控制使能信號，輸出時鐘、數據、輸出使能等信號，發送給后端檢測設備。