如何用单个赛灵思FPGA数字化数百个信号

TFilter［5］设计的中心频率为3.75MHz 的 801 抽头带通滤波器产生的。该滤波器在 2.5MHz - 5MHz 通带外的衰减率为 36dB 甚至更高，3MHz - 4.5MHz 之间的纹波为 0.58dB。

　　图 4 所示的 ADC 输出信号的精度大约为 5 位。这是最终的过采样率的函数，用户可以使用针对较低输入频率优化的设计来获得更高精度。

　　图 4 所示的 ADC 输出信号在 240MHz 上也被严重地过采样，可以大幅度缩小 ADC 输出带宽。在带通滤波器和抽取模块的硬件实现中，在通过抽取将有效采样率降至 1/16 到 15MHz 时（比有限带宽输入信号的最高频率快 3 倍），可以只计算第 16 个滤波器输出值，从而降低硬件需求。

　　图 5 所示的是与 Digilent Cmod S6 开发模块结合使用，产生图 2 所示的反馈信号以及与图 3 的傅里叶转换有关的比特流数据的 VHDL 源代码。一个 LVDS_33 输入缓冲器直接实例化

　　并分别连接到模拟输入和反馈信号 sigin_p 和 sigin_n。内部信号 sig 由 LVDS_33 缓冲器的输出驱动，并由内置的触发器采样，以产生 sigout。信号 sigout 是经滤波用于产生N位ADC输出的串行比特流。我们使用免费的赛灵思 ISE® Webpack 工具实现该项目［6］。

　　VHDL 源代码

　　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;

　　图 5 所示的是 VHDL 代码和与图 1 的电路相关的 UCF 文件部分。

　　减少元件数量

　　本文描述的 ADC 架构已经被近期发表的几篇文章不准确地引用为德尔塔-西格玛（ΔΣ）型架构［7］。虽然真正的ΔΣ型 ADC 有优势，这种方法的简便性和元件数少使之对部分应用有吸引力。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能够直接连接到 FPGA 输入，无需使用前置放大器或缓冲器。这在许多系统中都能体现出明显的优势。

　　本文方法的另一个优势是通过叠加能够"混合"多个串行比特流，使用单个滤波器就能恢复输出信号。例如在基于阵列的超声系统中，串行比特流可以延迟时间来实现聚焦算法，然后以向量方式相加，这样使用一个滤波器就能恢复数字化且聚焦的超声波向量。

　　使用 FIR 滤波器生成 ADC 输出是一种简单直观的暴力方法，这里主要用于演示目的。在大多数设计中，ADC 输出将使用传统的积分器/低通滤波器解调器拓扑［2］生成。

　　参考资料

　　1. XPS 西格玛-德尔塔（ΔΣ）型模数转换器（ADC） V1.01A，DS587，2009 年 12 月 2 日

　　2. R. Steele， 增量调制系统， Pentech Press （伦敦）， 1975 年

　　3. Digilent Cmod S6 参考手册，Digilent Inc 公司， 2014 年 9 月 4 日

　　4. FT2232H 微型模块产品说明书，V1.7，Future Technology Devices International Ltd.公司，2012 年

　　5. TFilter，免费在线 FIR 滤波器设计工具，http://t-filter.engineerjs.com/

　　6. USE 深度辅导，UG695 （V13.1），赛灵思公司，2011 年。

　　7. M.Bolatkale 和 L.J。Breems，高速和大带宽西格玛-德尔塔（ΔΣ）型 ADC