FPGA + AD7768-4 实现数据采集的可能方案

架构图：

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┌──────────────────────────────────────────────────┐
│  传感器层                                         │
│  ├─ 振动传感器×4 ──→ ICP/IEPE供电模块            │
│  └─ 键相传感器 ────→ 光电隔离                    │
└────┬─────────────────────────────────────────────┘
     │
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│  前端信号调理层                                   │
│  ├─ AD8220/AD8221: 可编程增益放大器(PGA)         │
│  ├─ OPA4277: 4阶抗混叠滤波器                     │
│  └─ REF5050: 高精度基准源                        │
└────┬─────────────────────────────────────────────┘
     │
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│  Δ-Σ ADC层 (关键！)                              │
│  AD7768-4: 4通道24位,110dB SNR                   │
│  ├─ 同步采样：共时钟,相位误差<0.01°              │
│  ├─ 过采样+数字滤波：抗干扰强                     │
│  └─ SPI接口：直连FPGA                            │
└────┬─────────────────────────────────────────────┘
     │
┌────▼─────────────────────────────────────────────┐
│  FPGA核心处理层 (Xilinx Artix-7)                 │
│  ├─ 键相触发模块                                 │
│  │   └─ 高速计数器捕获键相时间戳                  │
│  ├─ 整周期采样控制                                │
│  │   └─ 根据转速动态调整采样点数                  │
│  ├─ FFT IP核 (16K点)                             │
│  │   └─ 流水线计算,<10ms完成                      │
│  ├─ 相位计算模块                                 │
│  │   └─ 相对键相的相位差提取                      │
│  └─ FIFO缓冲                                     │
└────┬─────────────────────────────────────────────┘
     │
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│  通信层                                           │
│  ├─ FT2232H (USB 2.0 HS)                         │
│  └─ 或以太网PHY (千兆)                           │
└──────────────────────────────────────────────────┘

核心芯片选型：

模块	推荐芯片	关键参数	价格
FPGA	Artix-7 XC7A35T	33K逻辑单元	¥150
ADC	AD7768-4	4ch 24bit 110dB	¥180
仪表放大器	AD8221	1nV/√Hz	¥25×4
滤波运放	OPA4277	低失真	¥15
USB桥	FT2232H	480Mbps	¥30
电源	TPS54331 (降压)	3A输出	¥8
IEPE供电	XTR111 (恒流源)	4~20mA	¥20×4

总成本：约¥800-1000

关键设计要点：

1. 相位精度保障：

verilog 复制代码

// FPGA内键相触发逻辑
always @(posedge sys_clk) begin
    if (key_phase_rising_edge) begin
        sample_cnt <= 0;              // 复位采样计数
        phase_ref_time <= timestamp;  // 记录基准时间
    end
    
    // 整周期采样：自动调整每转采样点数
    if (sample_cnt == samples_per_rev-1) begin
        trigger_fft <= 1;
    end
end

2. 为什么用Δ-Σ ADC？

对比项	SAR ADC (如AD7606)	Δ-Σ ADC (AD7768)
采样率	1MSPS	256kSPS
位数	16位	24位
SNR	90dB	110dB ✅
同步性	一般	时钟同步,相位误差<0.01° ✅
抗混叠	需外置滤波器	内置数字滤波 ✅
适用场景	高速多通道	高精度、强同步（动平衡最佳）

3. 整周期采样技术：

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传统定频采样：
┌─────┬─────┬─────┬─────┐
│ 1周 │ 1周 │ 1周 │ 0.3周│  ← 频谱泄漏！
└─────┴─────┴─────┴─────┘

整周期采样：
┌─────┬─────┬─────┬─────┐
│ 1周 │ 1周 │ 1周 │ 1周 │  ← 无泄漏，相位准确
└─────┴─────┴─────┴─────┘
    ↑ 键相触发自动同步

优缺点：

✅ 优点：

相位精度<0.1°（业界标准）
可扩展到8通道
抗工频干扰强（Δ-Σ特性）
实时性好（FFT在FPGA硬件完成）

❌ 缺点：

开发难度高（需FPGA经验）
成本中等
调试周期长

何时必须用FPGA？

只有以下场景才考虑FPGA：

1️⃣ 上位机吃不消数据量

如果采样率 > 1MSPS × 多通道

需要FPGA做实时降采样/抽取

2️⃣ 需要硬件触发逻辑

// 示例：检测异常立即触发存储

if (adc_data > threshold) begin

trigger_capture <= 1'b1; // 纳秒级响应

end

3️⃣ 多板卡级联同步

32通道以上系统，需要FPGA做时钟树管理

AD7768支持菊花链，但STM32最多管8片