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FPGA學習之高速ADC采集

2017-5-18 21:43:03??????點擊:

ADC(Analog-to-Digital Converter,模擬-數字轉換器)在硬件電路中是經常見到的器件,音頻信號的采集、溫度的采集等等,凡是涉及到模擬信號轉數字信號的電路,都會用到ADC。


ADC的種類很多,有積分型的、逐次比較型的、SAR型的等等,各有各的優缺點及用途。一般根據實際的項目需求來選擇ADC型號。


ADC有一個重要參數就是位寬,什么8位的、12位的、16位的,這其實就是ADC的分辨率,最小能分辨的輸入電壓大小。假設ADC的位寬為8位,參考電壓為5V,最小分辨率為:1/2565V=0.0195V=19.5mV。如果實際項目需要對mV級別的模擬信號進行采集,那么8位的ADC滿足不了需求,這個時候需要找更高位的ADC。


在實際的設計中,一個8位的ADC,其有效位并沒有8位。由于芯片生產工藝的原因、電路設計的原因、電路板布局的原因等等,在這些因素的影響下,一個8位的ADC,其最后的2-3位是波動的,這個時候最后的2-3位是沒有意義的,所以一個8位的ADC真正用到的只有高5-6位。

ADC還有一個常用的參數是采樣率,采樣率即一秒所能采的點的個數。在這里涉及到一個知識點:采樣定律,根據內奎斯特采樣定律可知,當采樣頻率大于等于兩倍的輸入信號的頻率時,可從采集到的數據中恢復出原始信號。但是在實際的應用中,對一個正弦波進行采樣時,采樣頻率至少是輸入信號的10倍,這樣可以采集到一個完整周期的正弦波信號。

ADC的指標還有好多,比如參考電壓、帶寬、精度等等,剩下的大家再細細研究哈,這里小編就不一一講解了~~~~

下面我們來看看今天的主要內容

FPGA學習之高速ADC采集



這是今天用到的ADC采集電路,從圖中可以看出,ADC采集芯片為TLC5540,且其輸出為8根數據線,或者也可以說是并行輸出。

還是和之前一樣,找TLC5540的數據手冊,根據數據手冊進行FPGA編程。


TLC5540是一個8位的高速ADC,其最大采樣率為40MHz。

FPGA學習之高速ADC采集-TLC5540芯片的時序



這是TLC5540芯片的時序,從圖中可以看出,當OE(輸出使能)=0時,在時鐘的下降沿,可得到一個8位的數據,這個數據就是輸入的模擬電壓轉化之后對應的數字量。

下面我們根據這兩幅圖進行FPGA的編程,在FPGA電路板中,系統時鐘為50M,我們將其2分頻為25M作為ADC的采樣時鐘。這個時候根據上面提到的采樣率至少為輸入信號頻率的10倍原則,所以輸入信號的最大頻率為2.5MHz的正弦波。



對代碼進行全局綜合編譯之后,開始分配引腳,引腳分配結束之后,我們今天使用Quartus ii的另一種工具:SignalTap II Logic Analysis,即Altera公司的一款內置邏輯分析儀,通過該功能,我們可以得到FPGA硬件運行的實際效果。但是它也有一個弊端,需要消耗FPGA的邏輯單元。



點開之后,會出現下圖所示的界面,該界面中紅色框標注的是比較重要的部分。

1,硬件仿真器

2,需要添加的觸發信號,一般以系統時鐘為觸發信號

3,需要觀察的信號,將自己所需的信號添加即可



以上三步設置完畢之后,保存,然后退出該界面,再次進行全局編譯,編譯無誤之后,將程序下載入FPGA中,下載完成之后,再次打開該界面,然后點擊手動運行圖標,便可觀察到FPGA實際運行的時序效果圖。






第一張圖的輸入信號頻率為2.5MHz,第二張圖的輸入信號頻率為1MHz,第三章圖的輸入信號頻率為100kHz。從以上三張圖中可以看出,輸入信號的頻率越小,一個輸入信號周期內采集的數據越多,波形越完整,也就是越逼近與實際波形。

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