0 引言
在軍事控制領域，為了實現數據采集和伺服控制功能，經常會使用到AD／DA模塊。
AD／DA模塊通過Multibus總線與主機通訊，通過AD接口采集數據，經過控制軟件處理，輸出模擬量驅動執行機構。從而實現一個閉環的控制。另外通過對控制軟件的修改，此模塊還可以單獨實現AD或者DA功能。
本設計中AD／DA模塊具備以下功能：
(1)提供32路16位A／D，輸入信號范圍4～20mA；
(2)提供2路16位D／A，輸出信號范圍4～20mA；
(3)精度：板內A／D-D／A自閉閉測度，誤差不大于0．025％；信號源經過30m電纜傳送AD／DA模塊，最大誤差≤2‰；
(4)AD／DA轉換芯片分別選用BB公司的ADS7821、DAC715；
(5)接口控制部分使用ALTERA公司的EPF10K20R1240芯片來實現。
1 設計原理
如圖1硬件功能框圖所示，本模塊采用ALTERA公司EPF10K20R1240高性能FPGA芯片與Multibus總線連接。
4～20mA的模擬電流量串上250Ω的精密電阻，轉換成1～5V的電壓量。電壓量經過多路選擇器MAX306進入由LF156搭成的高阻、低漂放大器。然后進入隔離運放ISO120P，對信號進行隔離。隔離后的電壓信號經過調整后送／入ADS7821進行A／D轉換。
數字量經過D／A轉換芯片DAC715轉換后，得到模擬量。模擬量經過隔離運放ISO120P進行隔離。隔離后的電壓經過電壓電流變換器XTR110得到4～20mA的電流調整后輸出。
對于A／D、D／A的譯碼控制信號，總線收發器、應答信號等由一個高性能的EPLD芯片完成。CPLD內部主要實現組合邏輯功能，將輸入的控制信號譯碼，然后輸出給AD、DA等功能芯片使用。另外兩個DC／DC模塊，分別對隔離前后的運放等器件提供電源。
2 買現方法
2．1 主要元器件選擇
在本設計中采用成熟技術，選用常用、可靠的控制芯片，結合一些常用的外圍電路和專用電路實現全部的功能。由于對精度要求特別高，因此，在選用器件時，應特別注意。
選擇ALTERA公司EPF10K20R1240作為接口芯片，利用功能芯片實現硬件邏輯。
A／D和D／A的精度主要由轉換芯片的位數決定。實際使用精度，即相當于12位的轉換精度(0.025％)。16位轉換芯片的精度可達0.0015 3％。考慮轉換芯片本身及其它器件的誤差，選用16位精度的A／D轉換芯片ADS7821和D／A轉換芯片DAC715。ADS7821是帶采樣保持的高精度A／D芯片。其輸入范圍為O～5V，單一+5V供電，轉換完成時間為10 μs。最大線性誤差±4LSB，即其精度可達0．0061％。DAC715是0～10V輸出范圍的高精度D／A芯片。±15V供電，轉換完成時間為10μs。最大線性誤差±2LSB，即精度可達0．0031％。
在對于其它器件的選擇上，同樣考慮了其精度問題，選用誤差非常小或對精度影響非常小的器件。隔離運放選用高精度隔離運放IOS120 P，它的非線性誤差≤0．010％。電壓電流變換器XTR110的最大非線性誤差為0．005％。同樣，DC／DC電源也選用紋波非常小的模塊。
這樣系統的A／D輸入的理論誤差為A／D轉換誤差加隔離誤差：0．0061％+0．010％=0．0161％，滿足用戶要求的0．025％。D／A輸出的理論誤差為D／A轉換誤差加隔離誤差加電壓電流轉換誤差：0．0031％+0．010+0．005％=0．0181％，同樣滿足使用要求。
2．2 電源設計
系統電源包括+5V、+15V、-15V、+24V。
模塊所需的核心電壓為+5V，電壓電流變換器XTR110所需的+24V由系統的電源模塊提供。隔離器件的隔離+5V電壓，由DC／DC隔離電源模塊UWR-5／1600-D5A提供。
AD、DA芯片需要提供+15V、-15V兩種電源。則由DC／DC隔離電源模塊UWR-15／275-D5A提供。選用DC／DC隔離電源模塊的特點是效率高、升降壓靈活且穩定性高。
2．3 電壓電流變換設計
根據實際需求，需要把DA轉換后的模塊電壓量，變換成所需的電流量。因此隔離后的電壓量經過電壓電流變換器XTR110得到4～20mA的電流量輸出。如圖2所示：
2．4 抗干擾性設計
信號經過30m傳輸后串入的干擾很可能比較大。輸入的采樣信號為低頻信號，為了減小干擾信號對轉換精度的影響，除了對輸入的信號進行隔離外，在多路開關進行通道選擇前加一級RC低頻濾波以提高抗干擾性。同時將RC低頻濾波電路放在通道選擇前，這樣整個通道的建立到轉換完成時間也會大大減少。
3 CPLD設計
CPLD片內邏輯實現描述框圖見圖3。在CPLD內部主要實現了3個主要的功能：與Multibus總線的邏輯接口的實現；內部的寄存器的實現；控制邏輯的實現。
4 軟件設計
本模塊在主機的控制下完成模擬輸入的數據采集和控制模擬輸出信號。其工作流程為：主機發出命令字選擇通道，并啟動A／D轉換。主機讀取命令字，判斷轉換是否完成。若轉換完成則讀取結果。否則重讀命令字。流程如圖4所示。
5 結束語
本設計充分體現了隔離AD／DA的工作特點，整個設計結構緊湊、性能穩定、抗干擾能力強，實現了系統功能，同時對系統的穩定性和可靠性給予了足夠的關注。經長時間考核，本系統運行穩定可靠。