本帖最后由 正点原子运营 于 2023-12-16 14:32 编辑
第三十七章 双路高速AD实验
1)实验平台:正点原子 ATK-DFPGL22G开发板
2) 章节摘自【正点原子】ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0
6)FPGA技术交流QQ群:435699340
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Debugger中查看信号波形。 本章包括以下几个部分: 1.1 简介 1.2 实验任务 1.3 硬件设计 1.4 软件设计 1.5 下载验证
1.1 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:
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: 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。
1.2 实验任务本节实验任务是使用FPGA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ILA中查看波形。本实验我们模拟输入源来自信号发生器,一个是正弦波,频率1Mhz,幅值9V;另一个是三角波,频率1Mhz,幅值5V。两路模拟信号分别接在双路AD模块的模拟信输入端。
1.3 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。
由上图可知,双路AD模块使用到的管脚连接道路P4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。
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。
对应的fdc约束语句如下所示: 1.4 软件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。如 图 37.4.1所示:
顶层模块的原理图如下图所示:
通过对原理图的分析,我们可以将代码分成两个模块,一个是clk_wiz_0模块用来生成对应的时钟去驱动AD外设模块,一个用来例化ila IP核。所以这么一分析我们的代码结构还是非常简单的。我们给出顶层模块代码如下所示: - 1 module hs_dual_ad(
- 2 input sys_clk , //系统时钟
- 3 input sys_rst_n ,
- 4 //AD0
- 5 input [9:0 ad0_data /* synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */, //AD0数据
- 6 input ad0_otr /* synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */, //输入电压超过量程标志
- 7 output ad0_clk , //AD0采样时钟
- 8 output ad0_oe , //AD0输出使能
- 9 //AD1
- 10 input [9:0 ad1_data /* synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */, //AD1数据
- 11 input ad1_otr /* synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */, //输入电压超过量程标志
- 12 output ad1_clk , //AD1采样时钟
- 13 output ad1_oe //AD1输出使能
- 14 );
- 15
- 16 wire [9:0 ad0_data_n;
- 17 wire [9:0 ad1_data_n;
- 18 wire ad0_otr_n ;
- 19 wire ad1_otr_n ;
- 20
- 21 assign ad0_data_n = ad0_data/*synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */;
- 22 assign ad1_data_n = ad1_data/*synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */;
- 23 assign ad0_otr_n = ad0_otr/*synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */;
- 24 assign ad1_otr_n = ad1_otr/*synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */;
- 25 //wire define
- 26 wire clk_out1;
- 27 wire clk_out2/* synthesis PAP_MARK_DEBUG="1" */;
- 28 wire CLK_OUT1;
- 29 wire CLK_OUT2;
- 30 //*****************************************************
- 31 //** main code
- 32 //*****************************************************
- 33 assign ad0_oe = 1'b0;
- 34 assign ad1_oe = 1'b0;
- 35 assign ad0_clk = CLK_OUT1;
- 36 assign ad1_clk = CLK_OUT1;
- 37 assign clk_out2 = CLK_OUT2/* synthesis PAP_MARK_DEBUG="1"*/;
- 38 pll u_pll
- 39 (// Clock in ports
- 40 .clkin1(sys_clk), // IN
- 41 //Clock out ports
- 42 .clkout0(CLK_OUT1), // OUT
- 43 .clkout1(CLK_OUT2)
- 44 ); //OUT
- 45
- 46
- 47 endmodule
复制代码
代码第33到34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。35行到36行,产生驱动AD芯片的时钟,ad0_clk和ad1_clk,他们都是由PLL产生。
1.5 下载验证将高速双路AD模块插入FPGA开发板扩展口,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。 FPGA开发板硬件连接实物图如下图所示:
图 37.5.2 信号发生器与双路AD模块的连接图1
图 37.5.3 信号发生器与双路AD模块的连接图2 使用SMA转BNC线将信号发生器与AD模块如图 37.5.3所示进行连接。 将工程生成的比特流文件下载到FPGA中,运行程序后在Debugger中观察ad_data数据的变化,观察到的波形如下图所示。
由上图可知,输入的ad_data数据分别为三角波和正弦波,频率和幅值与信号发生器发的设定相一致,说明AD-DA实验验证成功。 |