如何用單個(gè)賽靈思FPGA數(shù)字化數(shù)百個(gè)信號(hào)

　　在新型賽靈思 FPGA 上使用低電壓差分信號(hào)（LVDS），只需一個(gè)電阻和一個(gè)電容就能夠數(shù)字化輸入信號(hào)。由于目前這一代賽靈思器件上提供有數(shù)百個(gè) LVDS 輸入，理論上使用單個(gè) FPGA 就能夠數(shù)字化數(shù)百個(gè)模擬信號(hào)。

　　我們團(tuán)隊(duì)近期探索了可能的設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一隅，對(duì)中心頻率為 3.75MHz 和精度為 5 位的有限帶寬輸入信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字化，同時(shí)還針對(duì) 128 元線性超聲陣列換能器的輸出信號(hào)研究了多種數(shù)字化方案。首先讓我們?cè)敿?xì)介紹一下演示項(xiàng)目。

　　2009 年賽靈思推出了 LogiCORE™ 軟 IP 核。結(jié)合外置比較器、一個(gè)電阻和一個(gè)電容，就可實(shí)現(xiàn)一種能夠數(shù)字化頻率高達(dá) 1.205kHz［1］ 輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

　　用 FPGA 的 LVDS 輸入取代外置比較器，同時(shí)結(jié)合使用增量調(diào)制器 ADC 架構(gòu)，僅使用一個(gè)電阻和一個(gè)電容就能數(shù)字化頻率高得多的模擬輸入信號(hào)。

　　ADC 拓?fù)浜蛯?shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　使用賽靈思 FPGA 上的 LVDS 輸入實(shí)現(xiàn)的單通道增量調(diào)制器 ADC［2］的方框圖見圖 1。這里模擬輸入驅(qū)動(dòng) LVDS_33 緩沖器非反相輸入，輸入信號(hào)范圍基本為 0-3.3V。以比模擬輸入信號(hào)頻率高得多的時(shí)鐘頻率對(duì) LVDS_33 緩沖器輸出進(jìn)行采樣并通過一個(gè) LVCMOS33 輸出簡(jiǎn)單而且所用元件數(shù)少，讓這個(gè)方法頗具吸引力。而且由于 LVDS_33 輸入緩沖器有相對(duì)較高的輸入阻抗，在許多應(yīng)用中傳感器輸出可以直接連接到 FPGA 輸入，無需前置放大器或緩沖器。

　　緩沖器和一個(gè)外置一階 RC 濾波器反饋給 LVDS_33 緩沖器的反相輸入。采用這一電路，只要選擇合適的時(shí)鐘頻率 （F）、電阻 （R） 和電容 （C），反饋信號(hào)就會(huì)跟隨輸入模擬信號(hào)。

　　作為實(shí)例，圖 2 顯示的是在 F=240MHz、R=2K 和 C=47pF 時(shí)的輸入信號(hào)（黃色、通道 1）和反饋信號(hào)（藍(lán)色、通道2）。所示的輸入信號(hào)是用 Agilent 33250A 函數(shù)發(fā)生器使用其 200MHz、12 位任意輸出函數(shù)功能生成的。輸入信號(hào)的傅里葉轉(zhuǎn)換由小組使用的Tektronix DPO 3054 示波器計(jì)算完成，顯示為紅色（通道 M）。在這些頻率上，示波器探頭的輸入電容（以及接地問題）不會(huì)降低示波圖所顯示的反饋信號(hào)的質(zhì)量，但圖 2 的確體現(xiàn)了該電路的運(yùn)行情況。

　　通過對(duì) 1 Vpp 3.75MHz 正弦波運(yùn)用布萊克曼–納托爾 （Blackman-Nuttall） 窗口，我們定義了圖 2 所示的有限帶寬輸入信號(hào)。雖然理論上窗口化信號(hào)的本底噪聲基本比中心頻率的幅度小 100dB，Agilent 33250A 函數(shù)發(fā)生器的采樣頻率和 12 位精度讓演示信號(hào)質(zhì)量遠(yuǎn)遜于理論水平。由于換能器的機(jī)械屬性，眾多超聲換能器產(chǎn)生的中心頻率接近 3.75MHz 的輸出信號(hào)自然是有限帶寬信號(hào)，因此對(duì)采用這種方法來說是理想的信號(hào)源。

　　圖 1 - 使用一個(gè)外部電阻和一個(gè)外部電容的單通道增量調(diào)制器 ADC。

　　圖 2 - 該示波圖所示的是 F=240MHz、R=2K 和 C=47pF 時(shí) Agilent 33250A 函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的 3.75 MHz 輸入信號(hào)（黃色，通道 1）和反饋信號(hào)（藍(lán)色，通道 2）。由 Tektronix DPO 3054 示波器計(jì)算完成的輸入信號(hào)傅里葉轉(zhuǎn)換顯示為紅色（通道 M）。

　　我們使用 Digilent Cmod S6 開發(fā)模塊［3］配合安裝在小型 PCB 上的賽靈思 Spartan®-6 XC6SLX4 FPGA，并使用 8 個(gè)RC 網(wǎng)絡(luò)和輸入連接器，讓圓形系統(tǒng)來同時(shí)數(shù)字化多達(dá) 8 路信號(hào)，即得到圖 2 所示的圖。每個(gè)通道并聯(lián)端接一個(gè) 50Ω 的接地電阻，以正確端接信號(hào)發(fā)生器的同軸電纜。需要注意的是為實(shí)現(xiàn)這樣的性能，我們小組將 LVCMOS33 緩沖器的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置為 24mA，壓擺率設(shè)置為 FAST，如圖 5 中的實(shí)例 VHDL 源代碼中記錄的情況。

　　定制的原型電路板還支持使用 FTDI FT2232H USB 2.0 微型模塊［4］，用于把數(shù)據(jù)包化的串行比特流傳輸?shù)街鳈C(jī) PC 上供分析。圖 3 所示的是當(dāng)饋給圖 2 的模擬信號(hào)時(shí)，原型電路板產(chǎn)生的比特流的傅里葉轉(zhuǎn)換幅度。與 240MHz 采樣頻率的分諧波有關(guān)的峰值清晰可見，另外還有與輸入信號(hào)相關(guān)的 3.75MHz 頻率下的峰值。

　　圖 3 - 本圖所示的是與圖 2 相關(guān)的配置產(chǎn)生的比特流的傅里葉轉(zhuǎn)換

　　大量抽頭

　　通過給比特流施加帶通有限脈沖響應(yīng) （FIR） 濾波器，就能夠產(chǎn)生模擬輸入信號(hào)的 N 位二進(jìn)制表達(dá)：ADC 輸出。但是由于數(shù)字比特流的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬輸入信號(hào)，用戶需要使用帶有大量抽頭的 FIR 濾波器。不過由于被濾波的數(shù)據(jù)只有 0 和 1 兩個(gè)數(shù)值，所以無需使用乘法器（只需要加法器將 FIR 濾波器系數(shù)相加即可）。

　　圖 4 - 使用中心頻率為 3.75MHz 的 801 抽頭帶通濾波器產(chǎn)生的 ADC 輸出。

　　圖 4 所示的 ADC 輸出是在主機(jī) PC 上使用我們用免費(fèi)在線 FIR 濾波器設(shè)計(jì)工具 TFilter［5］設(shè)計(jì)的中心頻率為3.75MHz 的 801 抽頭帶通濾波器產(chǎn)生的。該濾波器在 2.5MHz - 5MHz 通帶外的衰減率為 36dB 甚至更高，3MHz - 4.5MHz 之間的紋波為 0.58dB。

　　圖 4 所示的 ADC 輸出信號(hào)的精度大約為 5 位。這是最終的過采樣率的函數(shù)，用戶可以使用針對(duì)較低輸入頻率優(yōu)化的設(shè)計(jì)來獲得更高精度。

　　圖 4 所示的 ADC 輸出信號(hào)在 240MHz 上也被嚴(yán)重地過采樣，可以大幅度縮小 ADC 輸出帶寬。在帶通濾波器和抽取模塊的硬件實(shí)現(xiàn)中，在通過抽取將有效采樣率降至 1/16 到 15MHz 時(shí)（比有限帶寬輸入信號(hào)的最高頻率快 3 倍），可以只計(jì)算第 16 個(gè)濾波器輸出值，從而降低硬件需求。

　　圖 5 所示的是與 Digilent Cmod S6 開發(fā)模塊結(jié)合使用，產(chǎn)生圖 2 所示的反饋信號(hào)以及與圖 3 的傅里葉轉(zhuǎn)換有關(guān)的比特流數(shù)據(jù)的 VHDL 源代碼。一個(gè) LVDS_33 輸入緩沖器直接實(shí)例化

　　并分別連接到模擬輸入和反饋信號(hào) sigin_p 和 sigin_n。內(nèi)部信號(hào) sig 由 LVDS_33 緩沖器的輸出驅(qū)動(dòng)，并由內(nèi)置的觸發(fā)器采樣，以產(chǎn)生 sigout。信號(hào) sigout 是經(jīng)濾波用于產(chǎn)生N位ADC輸出的串行比特流。我們使用免費(fèi)的賽靈思 ISE® Webpack 工具實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目［6］。

　　VHDL 源代碼

　　LIBRARY IEEE ;

　　USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; LIBRARY UNISIM ;

　　USE UNISIM.VCOMPONENTS.ALL ;

　　ENTITY deltasigma IS

　　PORT （clk ：IN STD_LOGIC ;

　　sigin_p ：IN STD_LOGIC ;

　　sigin_n ：IN STD_LOGIC ;

　　sigout ：OUT STD_LOGIC） ; END deltasigma ;

　　ARCHITECTURE XCellExample OF deltasigma IS SIGNAL sig ：STD_LOGIC ;

　　BEGIN

　　myibufds:IBUFDS

　　GENERIC MAP （DIFF_TERM =》FALSE，

　　IBUF_LOW_PWR =》FALSE， IOSTANDARD =》 “DEFAULT”）

　　PORT MAP （O =》 sig，

　　I =》 sigin_p， IB =》 sigin_n）;

　　mydeltasigma:PROCESS（clk） BEGIN

　　IF （clk = ‘1’ AND clk’EVENT） THEN

　　sigout 《= sig ; END IF ;

　　END PROCESS mydeltasigma ; END XCellExample ;

　　UCF文件

　　NET “clk” LOC = J1 |IOSTANDARD = LVCMOS33; NET “sigin_p” LOC = N12|IOSTANDARD = LVDS_33; NET “sigin_n” LOC = P12|IOSTANDARD = LVDS_33;

　　NET “sigout” LOC = P7 |IOSTANDARD = LVCMOS33| SLEW = FAST|DRIVE = 24;

　　圖 5 所示的是 VHDL 代碼和與圖 1 的電路相關(guān)的 UCF 文件部分。

　　減少元件數(shù)量

　　本文描述的 ADC 架構(gòu)已經(jīng)被近期發(fā)表的幾篇文章不準(zhǔn)確地引用為德爾塔-西格瑪（ΔΣ）型架構(gòu)［7］。雖然真正的ΔΣ型 ADC 有優(yōu)勢(shì)，這種方法的簡(jiǎn)便性和元件數(shù)少使之對(duì)部分應(yīng)用有吸引力。而且由于 LVDS_33 輸入緩沖器有相對(duì)較高的輸入阻抗，在許多應(yīng)用中傳感器輸出能夠直接連接到 FPGA 輸入，無需使用前置放大器或緩沖器。這在許多系統(tǒng)中都能體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　本文方法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是通過疊加能夠“混合”多個(gè)串行比特流，使用單個(gè)濾波器就能恢復(fù)輸出信號(hào)。例如在基于陣列的超聲系統(tǒng)中，串行比特流可以延遲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)聚焦算法，然后以向量方式相加，這樣使用一個(gè)濾波器就能恢復(fù)數(shù)字化且聚焦的超聲波向量。

　　使用 FIR 濾波器生成 ADC 輸出是一種簡(jiǎn)單直觀的暴力方法，這里主要用于演示目的。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，ADC 輸出將使用傳統(tǒng)的積分器/低通濾波器解調(diào)器拓?fù)洌?］生成。

　　參考資料

　　1. XPS 西格瑪-德爾塔（ΔΣ）型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） V1.01A，DS587，2009 年 12 月 2 日

　　2. R. Steele， 增量調(diào)制系統(tǒng)， Pentech Press （倫敦）， 1975 年

　　3. Digilent Cmod S6 參考手冊(cè)，Digilent Inc 公司， 2014 年 9 月 4 日

　　4. FT2232H 微型模塊產(chǎn)品說明書，V1.7，F(xiàn)uture Technology Devices International Ltd.公司，2012 年

　　5. TFilter，免費(fèi)在線 FIR 濾波器設(shè)計(jì)工具，http://t-filter.engineerjs.com/

　　6. USE 深度輔導(dǎo)，UG695 （V13.1），賽靈思公司，2011 年。

　　7. M.Bolatkale 和 L.J。Breems，高速和大帶寬西格瑪-德爾塔（ΔΣ）型 ADC