FPGA工程师应如何挑选ADC和DAC

将具有信号处理功能的FPGA与现实世界相连接，需要使用模数转换器(ADC)或数模转换器(DAC)

一旦执行特定任务，FPGA系统必须与现实世界相连接，而所有工程师都知道现实世界是以模拟信号而非数字信号运转的。这意味着需要在模拟信号域与数字信号域之间进行转换。针对手头工作选择恰当的FPGA时，用户面临着林林总总的选择，在为系统选择正确的ADC或DAC时也是如此，玲琅满目。

选择时首先要确定转换信号所需的采样频率。这个参数不仅将影响转换器的选择，同时也会影响对FPGA的选择，这样才能确保器件能够满足所需的处理速度及逻辑封装要求。转换器的采样频率至少为信号采样频率的2倍。因此，如果信号的采样频率为50MHz，则转换器采样频率至少应为100MHz。否则，已转换的信号将引起自身混叠，导致信号无法正确表示。但混叠并不总是一件坏事情；事实上，如果转换器的带宽足够高，那么用户可以利用混叠将信号混叠至可用的带宽。

ADC与DAC的关键参数

我们可采用多种不同方法来构建模数转换器(ADC)。最常见的方法包括闪存、斜坡(Ramp)以及逐次逼近等。

1，闪存转换器以速度快著称，其使用一系列可扩展的模拟比较器对输入电压和参考电压进行比较；ADC利用这些比较器的输出来确定数字代码。

2，斜坡转换器可利用连接至DAC且可自由运行的计数器，对DAC输出/输入电压进行比较。当二者相等时，保持计数不变。

3，逐次逼近转换器(SAR)是斜坡转换器的另一种形式，其可利用DAC和比较器来处理模拟输入信号。但SAR转换器并非执行累计计数，而是通过判断计数的模拟表示是否高于或低于输入信号，并采用试错法(trial-and-error)来确定数字代码。

此外，数模转换器(DAC)也可以采用若干种方法来实现，最常见的方法包括二进制加权、R-2R梯形网络、脉宽调制。

4，二进制加权是速度最快的DAC架构之一。这些器件可将各逻辑比特的不同转换结果进行汇总。例如，电阻DAC将根据电流代码来导通或切断这些电阻。

5，R-2R梯形转换器采用阻值为R-2R的级联电阻结构。由于可以轻松生成并匹配高精度电阻，因而这类DAC的精度比二进制加权转换器更高。

6，脉宽调制(PWM)是最简单的DAC结构类型，可通过简单的低通模拟滤波器传递脉宽调制波形。这些器件通常应用于电机控制领域，但它们也可作为Σ-Δ转换器的基础。

众多专家级器件(specialist device)的制造商已成功开发其自有的内部转换架构，可根据用途尽可能提供适用于特定领域的最佳性能。每种器件在转换速度、精度以及分辨率方面都各具优劣势。在选择FPGA时，您需要考虑I/O数量、所支持的I/O标准、时钟管理、逻辑资源和存储器，以及其它与器件类型相关的具体参数：最高采样频率、信噪比(SNR)、无杂散动态范围(SFDR)以及有效位数(ENOB)等。

采样频率非常简单，是ADC能够数字化输入信号的最高速率。SNR表示信号与噪声电平的比值，与输入信号无关。用户可以利用以下公式来确定SNR的理论值：

其中N表示分辨率。该方程适用于满量程正弦波。

在系统测试过程中，用户可首先对输出执行快速傅里叶变换(FFT)，然后测量输入信号与本底噪声的比值，这样即可确定实际的SNR值。

与此同时，SFDR表示输入信号与下一个最高峰值（通常为基谐波）的比值。通常SFDR用dBc来表示，会随着输入信号功率的降低而相应减小。

从转换器的测量结果可以看出，用户可利用下列式子来计算有效位数：

当进行这项测试时，应注意选择合适的FFT点数，从而确保不会由于一时疏忽而错误计算本底噪声。FFT点数不恰当将导致错误的计算结果。FFT本底噪声可通过下列式子计算得出：

用户应通过单音测试（通常为简单的正弦波）执行这些步骤，可降低输出频谱的复杂性。为了确保获取最佳结果，需要确保对输出信号执行相干采样。如果在数据窗口中包括几个周期，则执行相干采样。公式如下：

频谱

另一方面，用户在实现系统时还必须了解奈奎斯特准则，以确保正确地转换或量化信号。这意味着用户对所关注信号执行采样时，采样频率至少为该信号最高频率的2倍，才能确保正确进行转换。如果未按此标准执行采样，则将发生混叠；而如果没有正确理解混叠，则可能导致性能欠佳。

此外，因为这个原因，ADC需要利用抗混叠滤波器来阻止信号或噪声混叠至量化的信号中。但是，频谱混叠对于工程师来说非常有用，在ADC具有宽泛输入带宽的情况下尤为如此。经过周密安排考虑之后，混叠使用户无需借助下变频器即可直接转换信号。出于这种考虑，我们将频谱划分为几个区域。

利用表1中给出的信息，如果