【国产NI替代】基于ZYNQ7020的8振动/电压，低频，低噪声，高增益（24bits）终端采集板卡

概述

本文介绍了两款面向低频、低噪声信号采集的国产终端采集板卡。第一款基于 AG16KF256 国产 FPGA 与 STM32F429 组合实现 8 路振动/电压采集，最高采样率 1 Ksps，噪声仅 35 nV p‑p；第二款则采用 Xilinx Zynq‑7020 作为主控芯片，提供 16 路振动/电压/电流以及 16 路温度（PT100）采集，支持 24 bit 高精度 ADC。文章将从硬件框架、采样性能、接口设计以及 EMC 处理等方面进行详细展开，帮助读者快速了解板卡特性并在实际项目中进行选型与使用。

硬件架构

1. 8 路振动/电压采集板

该板卡采用 AG16KF256 国产 FPGA 与 STM32F429 双核 MCU 组合。FPGA 负责高速采样、数字滤波与数据打包，STM32F429 则提供丰富的外设接口（USB、CAN、SPI 等）用于上位机通信与系统配置。整体设计侧重于 低频、低噪声 场景，能够在 最高采样率 1 Ksps 与 最高增益 条件下实现 噪声仅 35 nV p‑p 的性能指标。

2. 16 路振动/电压/电流 + 16 路温度采集板

此板卡以 Xilinx Zynq‑7020 为核心处理器，集成了 ARM Cortex‑A9 双核 CPU 与 FPGA 逻辑块。每个通道配备 7‑芯 LEMO 接口，其中 4 芯为通用输入，通过板载继电器可切换为 IEPE 振动、普通电压或电流 三种模式；3 芯为独立 PT100 输入，支持三线式 PT100 温度传感器。整个采集系统采用 防浪涌、共模滤波、差模滤波、隔离电源 四重 EMC 保护方案，显著提升抗干扰能力。

采样性能

采样率范围：最高 1 Ksps，最低 50 sps（8 路板）。
分辨率：24 bit ADC，满足高精度测量需求。
噪声水平：在最高采样率、最高增益下噪声仅 35 nV p‑p，适用于微弱信号的捕获。
增益控制：板卡内部提供可编程增益放大器（PGA），用户可根据传感器输出幅度自行调节，以获得最佳信噪比。

这些参数在实际测量中表现出 低频小信号（如结构健康监测、地震前兆、低频机械振动）采集的可靠性。

接口与功能

7‑芯 LEMO 接口

4 芯通用输入：兼容 IEPE（Integrated Electronics Piezo‑Electric）传感器，适用于振动、加速度等高速动态测量；亦可直接接入电压或电流信号，实现多模态采集。
3 芯 PT100 输入：专为温度测量设计，支持 三线式 PT100 热阻传感器，提供高精度温度数据。

板载继电器切换

通过软件控制的继电器实现 振动/电压/电流 三种模式的快速切换，省去外部切换硬件，提升系统集成度。

通信接口

USB 2.0：用于高速数据传输与电源供给。
CAN FD：适合工业现场总线环境，支持多节点实时数据共享。
SPI / I²C：用于与上位控制器或外部存储器的低速交互。

EMC 设计

为确保在工业现场的可靠运行，板卡在硬件层面采用了以下措施：

防浪涌保护：在电源入口和信号输入端加入 TVS 二极管，抑制瞬态过电压。
共模滤波：使用共模电感与电容形成低通网络，降低共模干扰对 ADC 的影响。
差模滤波：差模电容与电阻配合，实现高频噪声的衰减。
隔离电源：采用 DC‑DC 隔离模块，为 FPGA 与模拟前端提供独立、干净的电源，防止电源噪声耦合。

上述四重防护在实际测试中表现出 对 EMC 干扰的显著抑制，满足 IEC 61000‑4‑2/4‑3 等工业标准。

应用场景

结构健康监测：利用低噪声高增益特性捕获桥梁、建筑或风电叶片的微小振动信号。
工业过程控制：在低频电压/电流监测中提供精准的过程变量，帮助实现闭环控制。
温度监测：通过 PT100 通道实现多点温度采集，适用于热电厂、化工装置的温度分布监测。
科研实验：高分辨率 24 bit 数据适合实验室中对微弱信号的长期记录与分析。

总结

本文详细介绍了两款基于国产 FPGA 与 Xilinx Zynq‑7020 的 8 路 与 16 路 终端采集板卡。它们在 低频、低噪声、高增益（24 bit） 方面表现出色，配备灵活的 LEMO 接口、板载继电器切换 与 多重 EMC 保护，能够满足从结构健康监测到工业过程控制等多种场景的需求。通过合理配置采样率、增益以及输入模式，用户可以在保证信噪比的前提下，实现对微弱信号的可靠捕获，为后续的 AI 推理或数据分析提供高质量原始数据。