基于高精度ADC的多路电压电流同步采集系统设计与误差校准

摘要：在电力电子系统高速发展过程中，人们对电压电流参数检测的精度提出了更高要求，本文设计了一种基于高精度模数转换器（ADC）的多路电压电流同步采集系统，旨在实现对多通道信号的高精度、实时、同步测量。系统以FPGA为核心控制单元，在经过ADC采样之后，通过SPI总线进行数据传输，实现多路信号的同步采集。最后通过对系统进行同步误差校准设计，进一步提升了数据采集精准度。测试结果表明，系统具有稳定的性能，能够在较大干扰下实现小信号的精确采集，精度在0.1%，具有良好的应用价值。

关键词：高精度ADC；多路电压电流同步采集；系统设计；误差校准

电压、电流信号作为最基本的电气物理量，在电力系统、自动化设备、实验测试等领域中被广泛监测和分析。传统的采集方案，受限于ADC分辨率、通道间同步机制及误差控制能力，难以满足高动态、高精度同步测量需求。本文基于高精度ADC设计了一个多路电压电流采集系统，能够有效提升信号采集精准度。

一、系统总体设计

本系统基于高精度ADC采集模块，采用FPGA作为控制单元，系统主要包含信号处理模块、滤波选通模块以及ADC采集模块等，其中控制单元不仅能够实现对各个模块的系统运行，还可以借助SPI总线实现各模块与主控板的高效通信，进而实现数据的有效上传。由于多路信号检测过程中信号干扰较大，因此系统设计了信号调理模块以及滤波选通模块，并且为了系统进行误差校准，提出了数据同步误差校正方案设计[1]。

二、系统硬件方案设计

（一）电源模块

为了实现系统的稳定供电，在电源模块中选用了高效率的DC/DC电源芯片，针对系统外部供电采用了±15 V／10 A稳压电源，可以为系统提供±12V电压。同时，为了进一步提升供电质量，在对电路设计中需要将电源部件放在PCB板同一层，并且采用短距离走线[2]。

（二）信号调理模块

在本模块设计中为了提升数据采集精准度，选用AD8250以及AD8253放大器，该放大器能够通过组合增益实现信号的多倍放大，并降低电流电压的传输损耗。在试验中发现AD8250的抑噪能力稍弱，因此将其作为一级放大，并将性能较高的AD8253作为二级放大。

（三）ADC采集模块

ADC采集模块设计中选用LTC2358-18芯片，其作为一个低噪声、8通道的数据采集芯片，能够实现高效数据传输，并且该型号芯片的数据接口比较丰富，能够提供CMOS和LVDS接口。在系统优化中选用LTC6655作为参考芯片，对本系统进行优化设计，并且电路采用X7R高品质电容，同时将数字层供电与AD芯片供电进行隔离，提高系统稳定性。

在AD采集控制程序设计中采样频率为200kHz，能够进行高速采样，在这个时期8通道的采集速度可以达到28.8Mb/s，并通过CMOS接口进行连接。在采样过程中控制模块需要拉高CONVST信号，并启动采集转换，通过对信号检测下降对转换进度进行确定，之后从控制板进行数据采集。在系统采集完成之后，需要将信号进行及时上传，其中主控板卡要完成数据采集、存储等命令。

（四）FPGA控制模块

在本模块中选用了XC3S400AN-4FTG2561型号芯片，该芯片能够自带配置功能，不需要外部存储电路，而且芯片型号较为常见，成本较低，能够满足系统设计需要。为了对内部空间进行优化，在电路设计中将控制模块进行了单独布板，通过对插的形式形成一个整体系统，提升散热面积[3]。

（五）数据采集系统误差校正设计

在传统的数据采集系统中通常采用静态误差模型校正方法，这种方式的基本原理是在理想状态下等待检测信号从电路集中之后，通过放大器、加法器之后被ADC芯片采集。但是在多路电压电信号采集系统中由于系统带宽较大，所以时间误差和增益误差会随着多路信号频率变动而出现变化，这就导致误差校正难度较大。因此本文采用频响失配误差理论满足误差调整需要。该模型在信号采集中能够采用特定的关系传递函数代替静态补偿，避免误差校正中由于采样信号频率出现变化导致的误差问题。在本系统设计中需要对ADC采集通道进行误差校正，采用了一种新型频域滤波方法实现频响失配误差模型中的误差滤波器，主要是将示波器中的时域信号变换到频域，在对频域上的信号以及误差滤波器中的频域进行修正，以此来代替原本的滤波器组[4]。

三、系统测试与功能验证

（一）采集系统测试

为了对系统的各项指标进行测试，在系统设计完成后采用5522A多功能校准仪作为高精度信号参考信号源，交流电压的测量范围在10mV-33V之间，最大允许误差为±1.7×10-4，为了对系统的整体性能进行分析，在实验过程中以正弦信号为测试对象，设置了4个不同档位，交流信号有效值分别在63.64mV、31.82mV、15.91mV以及3182mV。在测试过程中需要通过上位机命令配置相应增益，并对其进行放大配置，使芯片能够达到最大采样量程。同时，在采集过程中需要对静态不同增益下的各项指标进行对比，对比发现在20kHz范围内交流信号的整体性能指标较高，增益在G=200，交流信号的整体有效值在15.92mV。能够有效满足多通道数据采集需要。同时，在对信号采集的实际工况进行模拟，对系统进一步测试，采用滑环对系统进行供电后，系统的各项指标都有所降低，但是下降幅度有限，依然可以满足电流电压系统采集需要，这证明系统具有良好的抗干扰能力，可以切实满足信号采集需要[5]。

（二）波形同步误差校正效果测试

根据系统的数据存储和采集中出现的误差校正需要，本文对系统的误差校正效果进行了测试，在测试过程中先对ADC模块进行同步采样时钟配置，在系统运行中ADC采样模块需要对3条并行线路进行同步采集，并通过同步接收的方式对延时控制进行校正。如果在数据采集过程中ADC的采样数据没有同步接收，就会出现采样点偏移情况，这时就可以对ADC模块进行初始化配置，并对数据进行校正，进而完成误差校正。

结语

综上所述，本文设计了一种多路高精度数据采集系统，系统基于ADC数据采集模块，具备低通滤波、数据校正、增益放大等特性，可以对多通路的电流电压信号进行采集。并且测试结果表明系统在干扰较大的环境中仍然具备较高的采集精度，其精度在0.1%以上。与传统采集系统相比，本系统不仅在精度与同步性上取得了明显提升，还具备良好的可扩展性和工程使用价值。

参考文献：

[1]曾光，陈若晞. 基于虚拟仪器的多通道数据采集器全自动校准系统[J]. 工业计量，2024，34（2）：14-17.

[2]王浩，王红亮，王铮，等. 电压自校准的高精度多通道应变信号采集模块[J]. 仪表技术与传感器，2024（4）：24-28，89-89.

[3]刘杰，刘琴，张宇. 航空发动机试车台数据采集器原位综合校准技术研究[J]. 计测技术，2024，44（6）：69-78.

[4]刘春，马小龙，戚远帆，等. 前融合策略下辅助智能驾驶的多模态数据采集与高精度点云地图构建[J]. 测绘通报，2024（8）：8-12，19-19.

[5]萧鹏，台泓冰，向茂林，等. 基于红外辐射测温法的焊头动态高速真温测量系统研制[J]. 光谱学与光谱分析，2024，44（3）：836-842.