遥测信号模拟源的设计及实现

作者 王冬冬 范中国 中国空空导弹研究院(河南 洛阳 471009)

摘要：遥测信号模拟源是多通道信号发生器，模拟弹载组件，输出模拟及数字信号供遥测舱采集，以判断遥测舱是否正常。本设计基于DDS及数字可编程技术，采用DAC芯片AD5312、运放，RS422、429、LVDS等接口芯片，编写FPGA模块，最终实现多达100路模拟电压及40路数字信号输出，并可在计算机上通过网络进行参数配置。该信号源输出信号种类多，参数配置灵活方便，可满足多个遥测组件的测试需求。

引言

在遥测舱测试交付试验中，信号源起重要作用，模拟弹载组件特征产生多路的模拟电压与数字信号，经遥测舱采集后与原信息进行对比，以判断遥测产品是否合格^[1]。

与标准信号源设备相比，遥测信号源输出信号种类更多，包含方波、正弦波、阶跃电压等模拟电压信号，以及RS422、RS232、LVDS、ARINC 429、TTL、并行数字通道等数字信号，每种信号输出通道通常要求几十路，远多于标准信号源。

1 整体设计

为满足测试的全面性，信号源提供多样的输出信号类型，根据被测遥测组件的不同可进行参数配置调整，实现灵活通用性^[2]。采用FPGA作为控制芯片，实现每路信号的参数独立可调。

由于信号多，采用模块化设计，按照信号特征划分为数字信号板、模拟小信号板、模拟大信号板、配置控制板、电源板、互连底板，通过插头接线汇集到箱体面板的固定插头上对外输出，总体设计框图如图1所示。

互连底板将电源板输出的电压及配置控制板的控制信号线连接到各功能子板，控制采用SPI总线，每个子板使用不同的片选信号。按信号类型划分模块，简化了设计，便于电路实现，方便后续的更新升级。

2 各组成部分设计

2.1 电源板

电源板采用两种供电方式，可由直流电源供电，电压与电流设置及显示由直流电源提供;或外接220V交流电，由自带AC/DC模块产生28V直流电。

电源板采用DC/DC模块将输入直流电压进行升压、降压、反极性变换，得到多个直流电压供信号板使用，设计如图2所示。子板中的+3.3V、+1.5V低电压由各信号板上LDO产生。

采用220V交流供电方式，需显示AC/DC模块的输出电压与电流。电压测量采用电阻将28V电压分压到3.3V内。电流测量采用电源线上串入0.05Ω的精密电阻，电流经过电阻时产生微小压降，经电流测量专用放大器AD8217放大20倍，得到与电流相关的电压^[3]。变换后的电压值送到MSP430单片机，由片上DAC采集计算后，在LED上显示电压和电流，测量电路如图3所示。

2.2 数字信号板

数字信号板产生RS422、RS232、LVDS、TTL、429等信号。要求输出电平符合相关标准，码速率、包周期、信息字数、字位数等可配置，采用FPGA加接口芯片方式产生，原理如图4所示。

考虑多路输出的引脚需求及低成本，FPGA选用EP1C12Q240。编写HDL程序，实现控制接口、RAM/数据产生、数据速率时钟产生、串行/并行时序发送等功能，输出电平由MAX3232、MC3487、65LVDS047芯片完成422、232、LVDS等电平转换。

ARINC 429信号采用专门的协议转换收发芯片DEI1016将FPGA中需发送的32位信息字转换为串行数据，再通过BD429A芯片转换为429电平^[4]，电路实现如图5所示。

2.3 模拟信号板

模拟信号最终由运放输出，普通运放最大供电为30V左右，更高的电压需采用特殊的高压运放。将模拟信号以30V为界限分为小信号与大信号。选用最大供电36V的运放AD824完成小信号放大输出，选用供电最高140V(±70V)的高压运放LTC6090^[5]完成大信号放大输出。

模拟信号由DAC产生初始波形，再经过外部运放电路处理得到所需波形。为满足多通道输出，选用AD5312芯片，含2路DAC，采用SPI接口^[6]，大大节省了FPGA的I/O接口。

方波信号产生电路如图6所示，每路AD5312可以输出2路方波信号。在FPGA模块中配置方波幅度高值、幅度低值、频率周期、占空比等参数。DAC参考电压由REF198芯片提供，其输出高精度的4.096V，对于10bits的DAC，每一位数字量对应4mV输出电压。

正弦波或其它特殊波形由数字电路直接计算不易得到，采用DDS原理产生，将波形存储到ROM中，实现原理如图7所示。

正弦信号输出幅度的控制采用控制基准电压方式实现^[6]。利用AD5321集成2路DAC的特点，将A路作为正弦信号输出通道，B路作为A路的参考电压，控制B路的输出幅度，间接控制A路的正弦信号幅度，电路如图8所示。

2.4 配置板

采用ARM处理器，通过网络或串口与计算机进行通信。计算机可实时配置信号源参数，配置接口存储到FLASH存储器，脱离计算机后，按配置好的参数执行输出^[7]，配置板原理如图9所示。

3 结论

本文设计的信号源实现了正弦、方波等模拟信号，以及RS2