PXI总线实现高精度恒流源

        在航天设备测试中，陀螺和加速度计测试是不可缺少的重要组成部分。随着陀螺与加速度计精度水平的提高，测试过程中对其激励源-恒流源的精度要求越来越高。本文给出了一种基于PXI总线的高精度恒流源设计，并已成功应用于很多航天型号的陀螺和加速度计测试中。

1 系统设计
  


图1 系统框图

如图1所示，系统通过PXI总线与上位机进行通信，本地总线与PXI总线通过PXI接口电路连接。PXI接口电路将PXI总线指令翻译成本地局部总线传给FPGA,通过FPGA将PXI总线传输给D/A进行转换，D/A转换后的电压经V/I转换为高精度电流输出给用户。

2 系统电路设计

2.1 PXI接口电路

面向仪器系统的PCI扩展PXI (PCI eXtensions for Instrumentation)是一种坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准接口--PCI,结合了PCI的电气总线特性与Compact PCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线和主要软件特性。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

目前实现PXI接口电路的方式主要由两种：采用可编程逻辑电路和专用芯片。由于采用可编程逻辑电路实现起来比较占用芯片内部的资源，本板采用专用芯片来实现PXI总线与本地总线之间的转换。

PCI9054是PLX公司生产的PXI总线通用接口芯片，采用先进的PLX数据管道结构技术，符合PXIV2.1和V2.2规范。PCI9054有3种工作模式：M、C和J;本板采用局部总线16位、地址数据不复用、从操作的C模式。

2.2 FPGA电路

FPGA内部逻辑实现本地总线的译码、产生D/A时序以及读取板上温度传感器测试的温度值等功能。采用Xilinx公司的XC3S500E,该芯片的等效逻辑门数为50万，同时还具有158个用户I/O、65个差分I/O对、73kB的分布式RAM、360kB的RAM和20个专用乘法器。编程语言选择Verilog.

2.3 高速数字隔离

为了避免计算机侧的数字信号对输出电流产生干扰，因此必须加一级数字隔离电路，本板采用S18440来对两边的数字信号进行隔离。器件利用标准全CMOS技术设计多组芯片级变压器以提供4通道隔离功能，体积小、成本低，并能提供2500VRMS的电气隔离能力。


       

2.4 D/A转换

D/A转换采用AD5542芯片，AD5542是ADI公司的一款单通道、16位、串行输入、电压输出的数模转换器，采用5 V单电源供电。采用多功能三线式接口，并且与SPI、QSPI、MICROWIRE、DSP接口标准兼容。可提供16位性能，无需进行任何调整。DAC输出不经过缓冲，可降低功耗，并减少输出缓冲所造成的失调误差。输出可以设置为单极性或双极性，上电具有复位功能，在单极性下，上电后输出为0,在双极性下，输出为一VREF.本板采用双极性输出。

输出电压与输入的16位码值之间的关系为：VO=-VREF+D/32768xVREF,其中D为输入的十进制16位码值。

D/A转换部分的电路如图2所示。


图2  D/A转换电路


ADR433为D/A芯片AD5542的提供基准源。

AD5542芯片内部输出没有驱动运放，需要外加运放使输出为双极性电压，本电路选用的是OP97。

2.5 V/I转换电路

OP97运放输出量程为±3.3V的电压，需加一级V/I转换电路。本电路所用的V/I转换电路如图3所示。


图3  V/I转换电路
  

通过设置固定的5个码值：FFFF,BFFF,8000,4000,0,用安捷伦高精度6位半万用表的Agilent34401,上电后经过8个小时测试，其分辨率和精度均能达到15.7位。

3 结束语
基于PXI总线的高精度恒流源设计，可提供分辨率和精度均为15.7位的输出电流，提高了抗干扰能力，适用于要求高精度测量的系统。