《新起点之FPGA开发指南 V2.1》第三十七章 双路高速AD实验

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2)  章节摘自【正点原子】《新起点之FPGA开发指南 V2.1》
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第三十七章 双路高速AD实验

ADC（Analog to Digital Converter即模数转换器）是大多数系统中必不可少的组成部件，用于将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，它们是连接模电电路和数字电路必不可少的桥梁。在很多场合下，ADC的转换速度甚至直接决定了整个系统的运行速度。本章我们将使用双路高速AD模块采集外部模拟信号转换成数字信号，并在ILA中查看信号波形。
本章包括以下几个部分：35.6
3636.1简介
36.2实验任务
36.3硬件设计
36.4软件设计
36.5下载验证


37.1简介
本章我们使用的高速双路AD模块是正点原子推出的一款高速双路模数转换模块（ATK_DUAL_HS_AD），高速AD转换芯片由恩瑞浦公司生产的，型号是3PA1030。
ATK_DUAL_HS_AD模块的硬件结构图如下图所示。

图 37.1.1 ATK_DUAL_HS_AD模块硬件结构图

3PA1030芯片的输入模拟电压转换范围是0V~2V，所以电压输入端需要先经过电压衰减电路，使输入的-5V~+5V之间的电压衰减到0V~2V之间，然后经过3PA1030芯片将模拟电压信号转换成数字信号。
下面我们介绍下这个芯片。
3PA1030芯片
3PA1030是一款恩瑞浦推出的单电压芯片，10位，50 MSPS（Million Samples Per Second，每秒采样百万次）模数转换器，集成片上采样保持放大器和基准电压源。具有高性能低功耗的特点。
3PA1030的内部功能框图如下图所示：

图 37.1.2 3PA1030内部功能框图

3PA1030在时钟（CLK）的驱动下工作，3PA1030内置片内采样保持放大器（SHA），同时采用多级差分流水线架构，保证了50MSPS的数据转换速率下全温度范围内无失码；3PA1030内部集成了基准源，根据系统需要也可以选择外部高精度基准满足系统的要求。
3PA1030输出的数据以二进制格式表示，当输入的模拟电压超出量程时，会拉高OVR信号；当输入的模拟电压在量程范围内时，OVR信号为低电平，因此可以通过OVR信号来判断输入的模拟电压是否在测量范围内。另外3PA1030有一个OE信号，当该信号为高电平时3PA1030输出呈高阻态，低电平则可以正常输出。
3PA1030的时序图如下图所示：

图 37.1.3 3PA1030时序图

上图中，S1,S2,S3分别为三个采样点，可以看到，芯片在时钟的上升沿采样。需要注意的是，3PA1030芯片的最大转换速度是50MSPS，即输入的时钟最大频率为50MHz。
3PA1030支持输入的模拟电压范围是0V至2V，0V对应输出的数字信号为0，2V对应输出的数字信号为1023。而DA经外部电路后，输出的电压范围是-5V~+5V，因此在3PA1030的模拟输入端增加电压衰减电路，使-5V~+5V之间的电压转换成0V至2V之间。那么实际上对我们用户使用来说，当3PA1030的模拟输入接口连接-5V电压时，AD输出的数据为0；当3PA1030的模拟输入接口连接+5V电压时，AD输出的数据为1023。
当3PA1030模拟输入端接-5V至+5V之间变化的正弦波电压信号时，其转换后的数据也是成正弦波波形变化，转换波形如下图所示：

图 37.1.4 3PA1030正弦波模拟电压值（左）、数据（右）

由上图可知，输入的模拟电压范围在-5V至5V之间，按照正弦波波形变化，最终得到的数据也是按照正弦波波形变化。




37.2实验任务
本节实验任务是使用新起点开发板及双路AD扩展模块（ATK_DUAL_HS_AD模块）实现双路模数的转换，并在signaltap中查看波形。本实验我们模拟输入源来双路DA扩展模块，两路模拟信号分别接在双路AD模块的模拟信输入端。
37.3硬件设计
ATK_DUAL_HS_AD模块电路主要包括扩展口，AD芯片，电源电路模块和低通滤波器，衰减电路。下面是扩展口电源电路部分。

图 37.3.1 扩展口及电源电路

由上图可知，双路AD模块使用到的管脚连接到P7扩展口上，这些管脚包括十位的数据，时钟以及电源等信号。U2用于将5V电压转成VCC+（2.8V）供U1使用，U1将VCC+转成了VCC-（-2.8V），±2.8V电压供双电源运放TPH2501使用。U3负责将5V电压转成VCC（3.3V）。
衰减电路原理图如下图所示。

图 37.3.2 3PA1030原理图

上下两个电路是一样的，我们以上面的电路为例。上图中输入的模拟信号IN1（V1）经过衰减电路后得到AD_IN1（VO）信号，两个模拟电压信号之间的关系是VO=VI/5+1，即当VI=5V时，VO=2V；VI=-5V时，VO=0V。
ATK_DUAL_HS_AD模块的实物图如下图所示。

图 37.3.3 ATK_DUAL_HS_AD模块实物图

本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示。
表 37.3.1双路高速AD转换实验管脚分配
信号名        方向        管脚        端口说明
sys_clk        input        M2        系统时钟，50Mhz
ad0_data[0]        input        P9        AD0输入数据
ad0_data[1]        input        N9        AD0输入数据
ad0_data[2]        input        M9        AD0输入数据
ad0_data[3]        input        L10        AD0输入数据
ad0_data[4]        input        L9        AD0输入数据
ad0_data[5]        input        K9        AD0输入数据
ad0_data[6]        input        P8        AD0输入数据
ad0_data[7]        input        N8        AD0输入数据
ad0_data[8]        input        M8        AD0输入数据
ad0_data[9]        input        P6        AD0输入数据
ad0_otr        input        N6        模拟电压超出量程标志
ad0_clk        output        T14        AD0驱动时钟
ad0_oe        output        R14        AD0输出使能
ad1_data[0]        input        T13        AD1输入数据
ad1_data[1]        input        R12        AD1输入数据
ad1_data[2]        input        G2        AD1输入数据
ad1_data[3]        input        R11        AD1输入数据
ad1_data[4]        input        T11        AD1输入数据
ad1_data[5]        input        R10        AD1输入数据
ad1_data[6]        input        T10        AD1输入数据
ad1_data[7]        input        R9        AD1输入数据
ad1_data[8]        input        T9        AD1输入数据
ad1_data[9]        input        R8        AD1输入数据
ad1_otr        input        T8        模拟电压超出量程标志
ad1_clk        output        T7        AD1驱动时钟
ad1_oe        output        R7        AD1输出使能
对应的QSF约束语句如下所示：

1. set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
   
2. 
   
3. set_location_assignment PIN_R14 -to ad0_oe
   
4. set_location_assignment PIN_P6 -to ad0_data[9]
   
5. set_location_assignment PIN_N8 -to ad0_data[7]
   
6. set_location_assignment PIN_K9 -to ad0_data[5]
   
7. set_location_assignment PIN_L10 -to ad0_data[3]
   
8. set_location_assignment PIN_N9 -to ad0_data[1]
   
9. 
   
10. set_location_assignment PIN_T14 -to ad0_clk
    
11. set_location_assignment PIN_N6 -to ad0_otr
    
12. set_location_assignment PIN_M8 -to ad0_data[8]
    
13. set_location_assignment PIN_P8 -to ad0_data[6]
    
14. set_location_assignment PIN_L9 -to ad0_data[4]
    
15. set_location_assignment PIN_M9 -to ad0_data[2]
    
16. set_location_assignment PIN_P9 -to ad0_data[0]
    
17. 
    
18. set_location_assignment PIN_R7 -to ad1_oe
    
19. set_location_assignment PIN_R8 -to ad1_data[9]
    
20. set_location_assignment PIN_R9 -to ad1_data[7]
    
21. set_location_assignment PIN_R10 -to ad1_data[5]
    
22. set_location_assignment PIN_R11 -to ad1_data[3]
    
23. set_location_assignment PIN_R12 -to ad1_data[1]
    
24. 
    
25. set_location_assignment PIN_T7 -to ad1_clk
    
26. set_location_assignment PIN_T8 -to ad1_otr
    
27. set_location_assignment PIN_T9 -to ad1_data[8]
    
28. set_location_assignment PIN_T10 -to ad1_data[6]
    
29. set_location_assignment PIN_T11 -to ad1_data[4]
    
30. set_location_assignment PIN_G2 -to ad1_data[2]
    
31. set_location_assignment PIN_T13 -to ad1_data[0]

复制代码

37.4程序设计
根据本章的实验任务，高速双路AD模块同时采集两路外部模拟信号，在模块内部实现模数转换，将转换后的数字信号传给FPGA管脚，FPGA内部逻辑分析仪通过抓取数据将外部的模拟信号呈现出来。
图 37.4.1是根据本章实验任务画出的系统框图。我们事先准备两路模拟信号源，本实验我们使用信号发生器产生模拟输入源。接到双路AD芯片的信号输入端，在双路AD内部实现AD转换，将转换后的信号送给FPGA，在这里，FPGA只需要给AD芯片输出驱动时钟信号(AD_CLK)和使能信号(AD_OE)，AD芯片便可完成模拟采集并转换成数字信号。
高速双路AD实验的系统框图如图 37.4.1所示：

图 37.4.1 双路AD系统框图

通过对系统框图的分析，我们输出一个时钟，然后在signaltap中抓取芯片的输出信号。我们给出顶层模块代码如下所示：

1. 1  module hs_dual_ad(
   
2. 2      input                 sys_clk     ,  
   
3. 3      //AD0
   
4. 4      input     [9:0]       ad0_data     ,   //AD0数据
   
5. 5      input                 ad0_otr      ,   //输入电压超过量程标志
   
6. 6      output                ad0_clk      ,   //AD0(AD9280)采样时钟
   
7. 7      output                ad0_oe       ,
   
8. 8      //AD1
   
9. 9      input     [9:0]       ad1_data     ,  //AD0数据
   
10. 10     input                 ad1_otr      ,  //输入电压超过量程标志
    
11. 11     output                ad1_clk      ,  //AD1(AD9280)采样时钟  
    
12. 12     output                ad1_oe      
    
13. 13     );
    
14. 14     
    
15. 15  //*****************************************************
    
16. 16 //**                    main code
    
17. 17 //*****************************************************   
    
18. 18 //  ad0_oe=0,正常模式；ad0_oe=1,高阻
    
19. 19 wire clk_50m;
    
20. 20 wire clk_50m_deg;
    
21. 21 assign ad0_oe =  1'b0;
    
22. 22 assign ad1_oe =  1'b0;
    
23. 23 assign  ad0_clk = clk_50m_deg;
    
24. 24 assign  ad1_clk = clk_50m_deg;
    
25. 25
    
26. 26
    
27. 27 pll u_pll(
    
28. 28  .inclk0 (sys_clk),
    
29. 29  .c0 (clk_50m_deg),
    
30. 30  .c1 (clk_50m)
    
31. 31  );
    
32. 32
    
33. 33 endmodule

复制代码

代码第21到22行产生双路AD的两个输出使能信号，ad0_oe和ad1_oe，请注意，它们是低电平有效，所以我们直接赋值0。23行到24行，产生驱动AD芯片的时钟，ad0_clk和ad1_clk，他们都是由clk_50m偏移90°得来的，这是为了在signaltap采集数据时不会采集到数据边沿，使采到的数据更正确。其中clk_50m由时钟模块产生，大小是50M。
37.5下载验证
将高速双路AD模块插入新起点开发板P6扩展口，连接时注意扩展口电源引脚方向和开发板电源引脚方向一致，然后将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上对应端口连接，最后连接电源线并打开电源开关。
新起点开发板硬件连接实物图如下图所示：

图 37.5.1 新起点开发板硬件连接实物图

将工程生成的sof文件下载到FPGA中后， 连接后在signaltap中观察ad_data数据的变化，观察到的波形如下图所示。

图 37.5.2 AD数据接收模块采集到的signaltap波形图

由上图可知，输入的ad_data数据分别为2路正弦波，说明双路AD实验验证成功。
另外，在这里介绍一下如何将数据设置成波形图显示。首先选中signaltap波形图中的ad_data，右键选择Bus Display Format，然后选择Unsigned即可，如下图所示：

图 37.5.3 signaltap波形显示设置界面