資料介紹
將具有信號處理功能的FPGA與現(xiàn)實世界相連接,需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)
一旦執(zhí)行特定任務,F(xiàn)PGA系統(tǒng)必須與現(xiàn)實世界相連接,而所有工程師都知道現(xiàn)實世界是以模擬信號而非數(shù)字信號運轉(zhuǎn)的。這意味著需要在模擬信號域與數(shù)字信號域之間進行轉(zhuǎn)換。針對手頭工作選擇恰當?shù)腇PGA時,用戶面臨著林林總總的選擇,在為系統(tǒng)選擇正確的ADC或DAC時也是如此,玲瑯滿目。
選擇時首先要確定轉(zhuǎn)換信號所需的采樣頻率。這個參數(shù)不僅將影響轉(zhuǎn)換器的選擇,同時也會影響對FPGA的選擇,這樣才能確保器件能夠滿足所需的處理速度及邏輯封裝要求。轉(zhuǎn)換器的采樣頻率至少為信號采樣頻率的2倍。因此,如果信號的采樣頻率為50MHz,則轉(zhuǎn)換器采樣頻率至少應為100MHz。否則,已轉(zhuǎn)換的信號將引起自身混疊,導致信號無法正確表示。但混疊并不總是一件壞事情;事實上,如果轉(zhuǎn)換器的帶寬足夠高,那么用戶可以利用混疊將信號混疊至可用的帶寬。
ADC與DAC的關鍵參數(shù)
我們可采用多種不同方法來構建模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。最常見的方法包括閃存、斜坡(Ramp)以及逐次逼近等。
1,閃存轉(zhuǎn)換器以速度快著稱,其使用一系列可擴展的模擬比較器對輸入電壓和參考電壓進行比較;ADC利用這些比較器的輸出來確定數(shù)字代碼。
2,斜坡轉(zhuǎn)換器可利用連接至DAC且可自由運行的計數(shù)器,對DAC輸出/輸入電壓進行比較。當二者相等時,保持計數(shù)不變。
3,逐次逼近轉(zhuǎn)換器(SAR)是斜坡轉(zhuǎn)換器的另一種形式,其可利用DAC和比較器來處理模擬輸入信號。但SAR轉(zhuǎn)換器并非執(zhí)行累計計數(shù),而是通過判斷計數(shù)的模擬表示是否高于或低于輸入信號,并采用試錯法(trial-and-error)來確定數(shù)字代碼。
此外,數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)也可以采用若干種方法來實現(xiàn),最常見的方法包括二進制加權、R-2R梯形網(wǎng)絡、脈寬調(diào)制。
4,二進制加權是速度最快的DAC架構之一。這些器件可將各邏輯比特的不同轉(zhuǎn)換結(jié)果進行匯總。例如,電阻DAC將根據(jù)電流代碼來導通或切斷這些電阻。
5,R-2R梯形轉(zhuǎn)換器采用阻值為R-2R的級聯(lián)電阻結(jié)構。由于可以輕松生成并匹配高精度電阻,因而這類DAC的精度比二進制加權轉(zhuǎn)換器更高。
6,脈寬調(diào)制(PWM)是最簡單的DAC結(jié)構類型,可通過簡單的低通模擬濾波器傳遞脈寬調(diào)制波形。這些器件通常應用于電機控制領域,但它們也可作為Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的基礎。
眾多專家級器件(specialist device)的制造商已成功開發(fā)其自有的內(nèi)部轉(zhuǎn)換架構,可根據(jù)用途盡可能提供適用于特定領域的最佳性能。每種器件在轉(zhuǎn)換速度、精度以及分辨率方面都各具優(yōu)劣勢。在選擇FPGA時,您需要考慮I/O數(shù)量、所支持的I/O標準、時鐘管理、邏輯資源和存儲器,以及其它與器件類型相關的具體參數(shù):最高采樣頻率、信噪比(SNR)、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)以及有效位數(shù)(ENOB)等。
一旦執(zhí)行特定任務,F(xiàn)PGA系統(tǒng)必須與現(xiàn)實世界相連接,而所有工程師都知道現(xiàn)實世界是以模擬信號而非數(shù)字信號運轉(zhuǎn)的。這意味著需要在模擬信號域與數(shù)字信號域之間進行轉(zhuǎn)換。針對手頭工作選擇恰當?shù)腇PGA時,用戶面臨著林林總總的選擇,在為系統(tǒng)選擇正確的ADC或DAC時也是如此,玲瑯滿目。
選擇時首先要確定轉(zhuǎn)換信號所需的采樣頻率。這個參數(shù)不僅將影響轉(zhuǎn)換器的選擇,同時也會影響對FPGA的選擇,這樣才能確保器件能夠滿足所需的處理速度及邏輯封裝要求。轉(zhuǎn)換器的采樣頻率至少為信號采樣頻率的2倍。因此,如果信號的采樣頻率為50MHz,則轉(zhuǎn)換器采樣頻率至少應為100MHz。否則,已轉(zhuǎn)換的信號將引起自身混疊,導致信號無法正確表示。但混疊并不總是一件壞事情;事實上,如果轉(zhuǎn)換器的帶寬足夠高,那么用戶可以利用混疊將信號混疊至可用的帶寬。
ADC與DAC的關鍵參數(shù)
我們可采用多種不同方法來構建模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。最常見的方法包括閃存、斜坡(Ramp)以及逐次逼近等。
1,閃存轉(zhuǎn)換器以速度快著稱,其使用一系列可擴展的模擬比較器對輸入電壓和參考電壓進行比較;ADC利用這些比較器的輸出來確定數(shù)字代碼。
2,斜坡轉(zhuǎn)換器可利用連接至DAC且可自由運行的計數(shù)器,對DAC輸出/輸入電壓進行比較。當二者相等時,保持計數(shù)不變。
3,逐次逼近轉(zhuǎn)換器(SAR)是斜坡轉(zhuǎn)換器的另一種形式,其可利用DAC和比較器來處理模擬輸入信號。但SAR轉(zhuǎn)換器并非執(zhí)行累計計數(shù),而是通過判斷計數(shù)的模擬表示是否高于或低于輸入信號,并采用試錯法(trial-and-error)來確定數(shù)字代碼。
此外,數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)也可以采用若干種方法來實現(xiàn),最常見的方法包括二進制加權、R-2R梯形網(wǎng)絡、脈寬調(diào)制。
4,二進制加權是速度最快的DAC架構之一。這些器件可將各邏輯比特的不同轉(zhuǎn)換結(jié)果進行匯總。例如,電阻DAC將根據(jù)電流代碼來導通或切斷這些電阻。
5,R-2R梯形轉(zhuǎn)換器采用阻值為R-2R的級聯(lián)電阻結(jié)構。由于可以輕松生成并匹配高精度電阻,因而這類DAC的精度比二進制加權轉(zhuǎn)換器更高。
6,脈寬調(diào)制(PWM)是最簡單的DAC結(jié)構類型,可通過簡單的低通模擬濾波器傳遞脈寬調(diào)制波形。這些器件通常應用于電機控制領域,但它們也可作為Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的基礎。
眾多專家級器件(specialist device)的制造商已成功開發(fā)其自有的內(nèi)部轉(zhuǎn)換架構,可根據(jù)用途盡可能提供適用于特定領域的最佳性能。每種器件在轉(zhuǎn)換速度、精度以及分辨率方面都各具優(yōu)劣勢。在選擇FPGA時,您需要考慮I/O數(shù)量、所支持的I/O標準、時鐘管理、邏輯資源和存儲器,以及其它與器件類型相關的具體參數(shù):最高采樣頻率、信噪比(SNR)、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)以及有效位數(shù)(ENOB)等。
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