賽靈思 FPGA 芯片對模擬輸入信號的數(shù)字化介紹 - 全文

現(xiàn)如今，賽靈思 FPGA 上采用低電壓差分信令 （LVDS） 輸入，僅需一個電阻器和一個電容器就能實現(xiàn)模擬輸入信號的數(shù)字化。由于數(shù)百組 LVDS 輸入駐留在生成電流的賽靈思器件上，因此理論上可通過單個 FPGA 芯片實現(xiàn)數(shù)百模擬信號地數(shù)字化。

我們的團隊近期在為數(shù)字化 128 元件線性超聲波陣列換能器信號研究選項時，發(fā)現(xiàn)了一個極具潛力的設(shè)計領(lǐng)域——可用 3.75MHz 中央頻率配合 5 位分辨率對限帶輸入信號進行數(shù)字化。下面我們來看看該演示項目的詳細情況。

2009 年，賽靈思推出了一款 LogiCORE 軟 IP 核，其外加一個外部比較器、一個電阻器和一個電容器即可實現(xiàn)能對頻率高達 1.205 kHz 的輸入進行數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。若讓 FPGA 的 LVDS 輸入（而不是外部比較器）結(jié)合增量調(diào)制器 ADC 架構(gòu)，僅需一個電阻器和一個電容器，就能對頻率高得多的模擬輸入信號進行數(shù)字化。

1、ADC 拓撲與試驗平臺

圖 1 是采用 LVDS 輸入且在賽靈思 FPGA 上實現(xiàn)的單通道增量調(diào)制器 ADC 的框圖。在這里，模擬輸入驅(qū)動非反相 LVDS_33 緩沖器輸入，而輸入信號范圍則基本為 0 至 3.3 伏特。LDVS_33 緩沖器的輸出在遠遠高于輸入模擬信號頻率的時鐘頻率下采樣，并通過 LVCMOS33 輸出緩沖器和外部一階 RC 濾波器反饋給反相 LVDS_33 緩沖器輸入。就適當(dāng)選擇的時鐘頻率 （F）、電阻 （R） 和電容 （C） 而言，只需采用該電路，反饋信號就可跟蹤輸入模擬信號。

例如，圖 2 在 F = 240MHz、R = 2K、C = 47 pF 時分別以黃色和藍色顯示了輸入信號（通道 1）和反饋信號（通道 2）。所顯示的輸入信號由 Agilent 33250A 函數(shù)信號生成器采用其 200MHz 12 位任意輸出函數(shù)信號功能生成。我們用 Tektronix DPO 3054 示波器計算得出的輸入信號的傅立葉轉(zhuǎn)換則顯示為紅色（通道 M）。在這些頻率下，示波器探針的輸入電容（以及接地問題）確實會弱化示波器中顯示的反饋信號，但圖 2 同時也展示了該電路的工作情況。

我們通過對 1Vpp3.75MHz 正弦波應(yīng)用 Blackman-Nuttall 窗，定義了圖 2 所示的帶限輸入信號。雖然與理論視窗信號相關(guān)的噪聲底限幾乎比與中央頻率相關(guān)的量級低 100 dB，但 Agilent 33250A 函數(shù)信號生成器的 200MHz 采樣頻率及 12 位分辨率會導(dǎo)致遠遠低于理想水平的演示信號。許多中央頻率接近 3.75MHz 的超聲波換能器產(chǎn)生的輸出信號自然會受到頻帶限制，這是因為換能器機械屬性的緣故，因此該輸出信號是使用這種方法的理想信號源。

我們使用 DigilentCmod S6 開發(fā)模塊得到了圖 2 所示的圖形，該開發(fā)模塊在支持 8 個 R/C 網(wǎng)絡(luò)和各種輸入接插件的小型定制化印刷電路板上安裝了賽靈思 Spartan-6XC6SLX4 FPGA，允許原型系統(tǒng)同時對多達 8 個信號進行數(shù)字化。

每個通道都以 50 歐姆接地電阻并行端接，從而可使同軸線纜與信號生成器正確端接。必須注意的是，為了實現(xiàn)這一性能，我們將 LVCMOS33 緩沖器的驅(qū)動電流值設(shè)置為 24 mA，將壓擺率設(shè)置為 FAST，如圖 5 示例 VHDL 源代碼中所述。

此外，該定制化原型電路板還支持使用 FTDIFT2232H USB 2.0 迷你模塊，我們用其將封包的串行比特流傳輸給主機 PC 進行分析。圖 3 是輸入圖 2 模擬信號后原型電路板所生成的比特流的傅立葉轉(zhuǎn)換強度。與 240MHz 采樣頻率的次諧波相關(guān)的峰值清晰可見，與輸入信號相關(guān)的峰值頻率為 3.75MHz。

２、大量的抽頭

為比特流應(yīng)用帶通有限脈沖響應(yīng) （FIR） 濾波器，可生成模擬輸入信號（ADC 輸出）的 N 位二進制表示法。但由于數(shù)字比特流的頻率遠遠高于模擬輸入信號，因此您需要使用有大量抽頭的 FIR 濾波器。但是，被過濾的數(shù)據(jù)只有 0 和 1 兩個值，因此無需乘法器，只需加法器將 FIR 濾波器系數(shù)相加。

圖 4 所示的 ADC 輸出在主機 PC 上采用有 801 個抽頭的帶通濾波器生成，其中央頻率為 3.75MHz，是我們使用免費在線 TFilter FIR 濾波器設(shè)計工具設(shè)計而成的。該濾波器除了 2.5MHz 至 5MHz 帶通之外，還有 36dB 或更大衰減，在 3 和 4.5MHz 之間有 0.58dB 的波紋。

圖 4 所示的 ADC 輸出信號分辨率約為 5 位，這基本上由過采樣速率決定，您可使用針對較低輸入頻率優(yōu)化的設(shè)計實現(xiàn)更高的分辨率。

此外，圖 4 所示的 ADC 輸出信號在 240MHz 頻率下不僅嚴(yán)重過采樣，而且還大幅減少了，能進一步減少 ADC 輸出帶寬。在帶通濾波器和抽取塊的硬件實現(xiàn)過程中，如果按 16 分之一抽取，每 16 個濾波器輸出值就只需計算一次，其可讓有效采樣率降至 15MHz（比帶限輸入信號的最高頻率快 3 倍），進而可降低硬件要求。

圖 5 是 DigilentCmod S6 開發(fā)模塊用于生成如圖 2 所示反饋信號的 VHDL 源代碼以及與圖 3 傅立葉轉(zhuǎn)換相關(guān)的比特流數(shù)據(jù)。LVDS_33 輸入緩沖器可直接實例化，然后分別連接至模擬輸入信號和反饋信號 sigin_p 和 sigin_n。內(nèi)部信號 sig 由 LVDS_33 緩沖器的輸出驅(qū)動，并由隱含的觸發(fā)器采樣以生成 sigout。信號 sigout 是串行比特流，其經(jīng)過過濾，可生成 N 位 ADC 輸出。我們使用免費的賽靈思 ISE Webpack 工具實現(xiàn)了該項目。圖 5 是 VHDL 代碼以及一部分與圖 1 電路系統(tǒng)有關(guān)的 UCF 文件。

3、組件數(shù)量少

近期一些文章將我們描述的 ADC 架構(gòu)誤稱為 ?∑ 架構(gòu)。盡管真正的 ?∑ ADC 極富優(yōu)勢，但這種方法簡單，而且組件數(shù)量少，對某些應(yīng)用極具誘惑力。LVDS_33 輸入緩沖器具有較高的輸入阻抗，因此在許多應(yīng)用中，傳感器輸出可直接連接至 FPGA 輸入，無需前置放大器或緩沖器。這在許多系統(tǒng)中都很有優(yōu)勢。

我們的方法還有一個優(yōu)勢，那就是通過疊加來實現(xiàn)“混合”多個串行比特流以及應(yīng)用單個濾波器來恢復(fù)輸出信號的應(yīng)用。例如，在基于陣列的超聲波系統(tǒng)中，串行比特流可延時實現(xiàn)聚焦算法，隨后以矢量的方式添加，而單個濾波器則用于恢復(fù)數(shù)字化聚焦的超聲波矢量。

采用 FIR 濾波器生成 ADC 輸出是一個簡單笨拙的方法，這里使用這種方法主要是為了說明起見。在大多數(shù)實現(xiàn)方案中，ADC 輸出將用傳統(tǒng)積分／低通濾波器解調(diào)器拓撲生成。

參考文檔

XPS Delta-Sigma Analog to Digital Converter （ADC） V1.01A， DS587， Dec. 2， 2009

R. Steele， Delta Modulation Systems，Pentech Press （London）， 1975

DigilentCmod S6 Reference Manual， DigilentInc.， Sept. 4， 2014

FT2232H Mini-Module Datasheet， V1.7，F(xiàn)uture Technology Devices InternationalLtd.， 2012

TFilter， the Free Online FIR Filter Design Tool

ISE In-Depth Tutorial UG695 （V13.1）， Xilinx， Inc.， 2011

M. Bolatkale and L.J. Breems， High-Speed and Wide-Bandwidth Delta-SigmaADCs， Springer， May 2014 Edition