如何用单个赛灵思FPGA数字化数百个信号

　　在新型赛灵思 FPGA 上使用低电压差分信号（LVDS），只需一个电阻和一个电容就能够数字化输入信号。由于目前这一代赛灵思器件上提供有数百个 LVDS 输入，理论上使用单个 FPGA 就能够数字化数百个模拟信号。

　　我们团队近期探索了可能的设计领域的一隅，对中心频率为 3.75MHz 和精度为 5 位的有限带宽输入信号进行了数字化，同时还针对 128 元线性超声阵列换能器的输出信号研究了多种数字化方案。首先让我们详细介绍一下演示项目。

　　2009 年赛灵思推出了 LogiCORE™ 软 IP 核。结合外置比较器、一个电阻和一个电容，就可实现一种能够数字化频率高达 1.205kHz［1］ 输入信号的模数转换器（ADC）。

　　用 FPGA 的 LVDS 输入取代外置比较器，同时结合使用增量调制器 ADC 架构，仅使用一个电阻和一个电容就能数字化频率高得多的模拟输入信号。

　　ADC 拓扑和实验平台

　　使用赛灵思 FPGA 上的 LVDS 输入实现的单通道增量调制器 ADC［2］的方框图见图 1。这里模拟输入驱动 LVDS_33 缓冲器非反相输入，输入信号范围基本为 0-3.3V。以比模拟输入信号频率高得多的时钟频率对 LVDS_33 缓冲器输出进行采样并通过一个 LVCMOS33 输出简单而且所用元件数少，让这个方法颇具吸引力。而且由于 LVDS_33 输入缓冲器有相对较高的输入阻抗，在许多应用中传感器输出可以直接连接到 FPGA 输入，无需前置放大器或缓冲器。

　　缓冲器和一个外置一阶 RC 滤波器反馈给 LVDS_33 缓冲器的反相输入。采用这一电路，只要选择合适的时钟频率 （F）、电阻 （R） 和电容 （C），反馈信号就会跟随输入模拟信号。

　　作为实例，图 2 显示的是在 F=240MHz、R=2K 和 C=47pF 时的输入信号（黄色、通道 1）和反馈信号（蓝色、通道2）。所示的输入信号是用 Agilent 33250A 函数发生器使用其 200MHz、12 位任意输出函数功能生成的。输入信号的傅里叶转换由小组使用的Tektronix DPO 3054 示波器计算完成，显示为红色（通道 M）。在这些频率上，示波器探头的输入电容（以及接地问题）不会降低示波图所显示的反馈信号的质量，但图 2 的确体现了该电路的运行情况。

　　通过对 1 Vpp 3.75MHz 正弦波运用布莱克曼–纳托尔 （Blackman-Nuttall） 窗口，我们定义了图 2 所示的有限带宽输入信号。虽然理论上窗口化信号的本底噪声基本比中心频率的幅度小 100dB，Agilent 33250A 函数发生器的采样频率和 12 位精度让演示信号质量远逊于理论水平。由于换能器的机械属性，众多超声换能器产生的中心频率接近 3.75MHz 的输出信号自然是有限带宽信号，因此对采用这种方法来说是理想的信号源。

　　图 1 - 使用一个外部电阻和一个外部电容的单通道增量调制器 ADC。

　　图 2 - 该示波图所示的是 F=240MHz、R=2K 和 C=47pF 时 Agilent 33250A 函数发生器产生的 3.75 MHz 输入信号（黄色，通道 1）和反馈信号（蓝色，通道 2）。由 Tektronix DPO 3054 示波器计算完成的输入信号傅里叶转换显示为红色（通道 M）。

　　我们使用 Digilent Cmod S6 开发模块［3］配合安装在小型 PCB 上的赛灵思 Spartan®-6 XC6SLX4 FPGA，并使用 8 个RC 网络和输入连接器，让圆形系统来同时数字化多达 8 路信号，即得到图 2 所示的图。每个通道并联端接一个 50Ω 的接地电阻，以正确端接信号发生器的同轴电缆。需要注意的是为实现这样的性能，我们小组将 LVCMOS33 缓冲器的驱动强度设置为 24mA，压摆率设置为 FAST，如图 5 中的实例 VHDL 源代码中记录的情况。

　　定制的原型电路板还支持使用 FTDI FT2232H USB 2.0 微型模块［4］，用于把数据包化的串行比特流传输到主机 PC 上供分析。图 3 所示的是当馈给图 2 的模拟信号时，原型电路板产生的比特流的傅里叶转换幅度。与 240MHz 采样频率的分谐波有关的峰值清晰可见，另外还有与输入信号相关的 3.75MHz 频率下的峰值。

　　图 3 - 本图所示的是与图 2 相关的配置产生的比特流的傅里叶转换

　　大量抽头

　　通过给比特流施加带通有限脉冲响应 （FIR） 滤波器，就能够产生模拟输入信号的 N 位二进制表达：ADC 输出。但是由于数字比特流的频率远远高于模拟输入信号，用户需要使用带有大量抽头的 FIR 滤波器。不过由于被滤波的数据只有 0 和 1 两个数值，所以无需使用乘法器（只需要加法器将 FIR 滤波器系数相加即可）。

　　图 4 - 使用中心频率为 3.75MHz 的 801 抽头带通滤波器产生的 ADC 输出。

图 4 所示的 ADC 输出是在主机 PC 上使用我们用免费在线 FIR 滤波器设计工具