基于正交矢量放大的MRS信号采集模块设计---- 采集模块硬件设计(一) 硬件

Bazinga

第四章采集模块硬件设计
4.1电源与地线部分
核磁共振找水仪采用2节12V电池供电，本模块的电源输入为24V.设计中需要用到模拟±5V、数字+5V和数字+3.3V，所以需要用DC-DC模块进行电平转换。电路图如图4.1所示。







首先系统24V电源经过接口P1输入DC-DC模块，二极管D1、D2起保护作用，电容C3进行滤波。DC-DC模块有2组输出，分别为±12V、AGND和VCC（+5V）、DGND，如图4.1（a）所示。其中，±12V组经过三端7805、7905转换成±5V和AGND给模拟部分供电，如图4.1（b）所示；VCC组给数字部分供电，数字部分有用到3.3V的，由VCC经过电平转换芯片REG1117-3.3转为3.3V供给，如图4.1（c）所示。

在绘制PCB电路板时，将模拟和数字部分分开布局，并把它们放在板上的特定区域，这样可以使地层比较容易分开，使用起来比较方便。数字地层和模拟地层在板上的A/D转换器附近连用0欧电阻连接.

4.2相敏检测器电路
4.2.1相敏检测器设计要求
本模块中的相敏检测器是利用CPLD和D/A转换器实现MRS信号和参考正弦信号相乘。由CPLD中的FLASH存储正弦波的波形，直接输入D/A转换器的数字输入端，放大后的MRS信号输入D/A转换器的参考输入端，D/A转换器输出两路信号相乘后的结果，要求D/A转换器为乘法型。

核磁共振放大器输出的放大后的MRS信号幅度范围为-2.5V～+2.5V，要求D/A转换器参考电压输入范围要大于±2.5V.
设计CPLD产生一个周期的正弦波用256个点，正弦波频率范围为1300Hz～3000Hz（全球拉莫尔频率范围），CPLD输出数字量的频率最快为768KHz，这就要求D/A转换器的建立时间在1.3μs以内。再考虑到精度、速率等问题，D/A转换器需要满足以下几个要求：
1、16位以上并行；
2、乘法型；
3、建立时间 <1.3us；
4、参考输入范围大于±2.5V。

4.2.2D/A 转换器芯片选择

经过综合考虑，选择DAC8820作为本模块中的D/A转换器芯片。DAC8820的主要技术指标有：
1、16位并行；
2、4象限乘法型；
3、建立时间：0.5μs；
4、参考输入范围：±15V.
由于DAC8820输出为电流型，所以应用时需要用运放转换成电压输出，电路图如图4.2所示。



4.2.3DAC8820 电路实现


DAC8820实际电路连接图如图4.3所示。信号经过放大器后输入DAC8820的4脚，也就是参考电压输入端。CPLD中存储的波形则并行输入DAC8820的数字输入端，DAC8820的电流输出经过运放LT1885转换为电压输出。

本设计中CPLD选择用Altera公司的MAX II系列，型号为EPM1270.它的工作电压是3.3V，选用125MHz的有源晶振作为它的外部时钟。经过仿真，本设计大概需要500～600个宏，而EPM1270共有1270个宏，满足设计要求。EPM1270中集成有FLASH模块，可以储存正弦参考信号的波形。用Quartus II软件的图形编辑界面可以很好地调用FLASH模块，如图4.4所示.




本设计中，一个正弦波周期取 256 个点。按照 D/A 转换器的转换公式：


可得取值算法公式为： X= 32768×(1 + sin(K×360/256))，K 取 0～256。
用 Quartus II 软件建立一个.mif 文件，存储一个波形的 256 个点的数据，如图 4.5所示。



将。mif文件储存在FLASH模块中，在CPLD产生的时钟频率控制下，由8位计数器依次将数据输入到D/A转换器数字输入端，D/A转换器就输出频率可调的正弦波形。

4.2.4仿真与实测结果对比
相敏检测器设计完成后，对其进行了一些功能测试。

1、首先测试了CPLD与D/A转换器能否正常输出波形。

在D/A转换器的参考电压输入端接入+5V直流电压，CPLD中储存的正弦波以2300Hz的频率输入到D/A转换器的数字输入端，则D/A转换器应输出2300Hz的正弦波。用示波器观察D/A转化器的输出波形，结果如图4.6所示。




结果证明CPLD与D/A转换器能够正常输出波形。

2、然后测试CPLD和D/A转换器能否实现信号的乘法功能。

用EWB软件仿真一个乘法电路，仿真电路如图4.7所示。两路正弦波信号频率分别为2300Hz和2305Hz，结果如图4.8所示。




用信号发生器产生频率为2305Hz的正弦波接入D/A转换器的参考电压输入端，CPLD中的正弦波以2300Hz的频率输入D/A转换器的数字输入端，用示波器观察D/A转换器输出的波形如图4.9所示。