赛灵思FPGA设计技巧与应用创新（二）
前面的博文中已经提到了基于sigma-delta adc采样的数据采集系统，并详细说了sinc3抽样滤波器的设计方法，在有详细介绍。后来将前面的adc也做了pcb板，这样就构成了一个完整的基于fpga的sigma-delta数据采集系统。
从调制器编码理论的角度看，多数传统的模数转换器均属于线性脉冲编码调制(lpcm，linear pulse code modulation)类型，如并行比较型、逐次逼近型等。这类模数转换器根据信号的幅值大小进行量化编码，一个分辨率为n的adc可以将其量程范围分为2的n次方个不同的量化等级，而实现2的n次方个不同的量化等级需要相当复杂的电阻(或电容)网络和高精度的模拟电子器件。随着位数n升高时，比较网络的实现会变得越来越困难，因此限制了模数转换器分辨率的提高。同时，集成度、温度变化等因素对高精度的模拟电子器件会产生影响，进一步限制了转换器分辨率的提高。
adc与传统的lpcm型adc不同，它不是根据信号的幅值直接进行量化编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差(即增量)进行量化编码，从某种意义上来说它是根据信号的包络形状进行量化编码的。 adc名称中的δ表示增量，σ表示积分或者求和。由于 adc采用了极低位的量化器(通常是1位)，从而避免了lpcm型adc在制造时所面临的困难，适合半导体制造技术的实现。另一方面，又因为它采用了极高的采样速率和 调制技术，可以获得极高的分辨率。由于它采用低位量化，不会像lpcm型adc那样对输入信号的幅度变化过于敏感。与传统的lpcm型adc相比， adc是一种用高采样速率来换取高位量化，从而提高分辨率。
采样电路组成如图1所示，由rc滤波电路、 调制器、光电耦合器、fpga(数字滤波器)等部分组成。
图1 整个系统的原理框图
采样电路前端输入差分模拟信号经过一阶的 滤波电路滤波后进入 调制器， 调制器将差分模拟信号转换成与时钟信号 同步的高低电平位流信号 。输出的时钟信号mclk和位流信号mout有两种处理方式，一种采用光耦隔离后直接进入fpga，这种方法适合与模拟信号传输距离比较短的场合；另一种是将时钟信号mclk和位流信号mout转换成光信号，采用光纤传输给fpga端，再将转换为电信号进入fpga，这种方法可以远距离的传输模拟信号，使模拟信号不受干扰。fpga接收到信号后，内部采用sinc3滤波器对信号进行滤波，并将滤波结果转换成串行数据，采用异步串行通信的方式将采样值传送给dsp，或者将滤波结果转换成并行数据传输给dsp。
这里选用的sigma-delta adc芯片来自德州仪器（texas instruments）公司制造的ads1205，这款器件是一个2阶高性能的sigma-delta调制器，采用cmos工艺，它拥有16位的分辨率和14位的线性度，内部晶振是20mhz，但是实际工作频率是在20mhz经过2分频之后得到的10mhz，它既可以差分输入，又可以单端输入。我们主要用其在电机控制系统中对信号进行采集，故只要单端输入即可。
此系统硬件大致可以分成两个部分，前半部分主要实现模拟信号的sigma-delta调制得到10mhz的0、1位流数字信号，这一部分主要采用ads1205芯片进行sigma-delta调制；二阶sigma-delta调制出来的信号其实是一个占空比随模拟输入电压大小变化的1、0位流，其中1所占的比率正比于模拟输入电压的大小。不同一般的是，这个位流信号因过采样具有很高的速度，所以重点是在滤波器的时候如何把它降到合适的速度。后半部分主要实现数字滤波，此滤波器积分部分仍然工作在过采样频率下面，只是在梳状部分将系统频率经过32分频对采样值进行抽取，从而将输出结果降采样，最后将高速的一位的0、1流信号转换成较低速的14位数字信号供后续数字处理系统使用，因为此设计是基于fpga的数字滤波，在硬件设计上选择了红色飓风ⅱ——xilinx rcⅱsp3s400，因为其具有数码管，可以方便地显示。在此开发板上，还用verilog hdl语言编写了一些程序辅助验证硬件设计，并使用数码管作为显示。因其位数（只有4位）有限，在验证时只取前三位十进制有效数字输出显示，即取到小数点后面两位，另加1位符号位，其测试的实验现场和几个测试结果如图2所示。
图2 实验装置及数码管显示
为了检测测量方法的效果，在两电平的逆变器上测试输出电流，输出频率为5hz，采样频率定为1khz。测量实验波形如图2所示。具体测试方法是，首先将-5到+5v的任意波形信号送入sigma-delta adc进行采样，然后sigma-delta adc将数据送入fpga进行抽样滤波；fpga将滤波之后的结果使用spi协议传送给ti公司的tms320f28335 dsp，最后使用dac7724u dac将波形输出到示波器上（因为用fpga直接控制dac芯片还不熟悉，所以用了这个笨办法，dsp直接写io空间就行了，fpga该怎么弄呢？）。
ch1通道为霍尔传感器输出的波形（lem公司生产），ch2通道为测量方法测得的波形，可见整个系统的功能是有效的、能够抵抗噪声的。
图3 da输出的测试结果
深度研究麒麟电池及快充技术
访谈灵长软件创始人宋京青：新一代SOA架构
新华三IT运维管理平台为用户业务持续、稳定创新保驾护航
饮水机每隔多久拆洗消毒一次
2013中国（成都）电子展仪器展区——为西部的新一代信息技术发展倾情奉献
赛灵思FPGA设计技巧与应用创新（二）
科学家首次用反物质实现双缝干涉,意义重大!
手机电量越低，辐射越强？手机一格电时辐射是平时1000倍？
iphone8什么时候上市?iphone8最新消息:iphone8确认秋季开发布会,逆天新功能曝光,售价8000起
2016年EUV降临 半导体格局生变
储能连接器使用电镀技术的知识讲解来咯
浅析微医互联网医院商业模式
聚飞光电举行质量月活动 提升企业质量管理水平
简述什么是压电效应_压电效应的发现
iPadOS生产力翻身 Mac Pro官方攒机
【同星新闻】ASAM最新会员动向 | 同星智能将在汽车领域不断贡献中国方案
机器人零部件风口有哪些
苹果缩减首批OLED iPad Pro订单，LG Display遭受重创
英特尔旗下Mobileye CEO透露EyeQ芯片去年出货1930万颗
Dialog推出革命性LED智能照明驱动器IC-iW3690
从调制器编码理论的角度看，多数传统的模数转换器均属于线性脉冲编码调制(lpcm，linear pulse code modulation)类型，如并行比较型、逐次逼近型等。这类模数转换器根据信号的幅值大小进行量化编码，一个分辨率为n的adc可以将其量程范围分为2的n次方个不同的量化等级，而实现2的n次方个不同的量化等级需要相当复杂的电阻(或电容)网络和高精度的模拟电子器件。随着位数n升高时，比较网络的实现会变得越来越困难，因此限制了模数转换器分辨率的提高。同时，集成度、温度变化等因素对高精度的模拟电子器件会产生影响，进一步限制了转换器分辨率的提高。
adc与传统的lpcm型adc不同，它不是根据信号的幅值直接进行量化编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差(即增量)进行量化编码，从某种意义上来说它是根据信号的包络形状进行量化编码的。 adc名称中的δ表示增量，σ表示积分或者求和。由于 adc采用了极低位的量化器(通常是1位)，从而避免了lpcm型adc在制造时所面临的困难，适合半导体制造技术的实现。另一方面，又因为它采用了极高的采样速率和 调制技术，可以获得极高的分辨率。由于它采用低位量化，不会像lpcm型adc那样对输入信号的幅度变化过于敏感。与传统的lpcm型adc相比， adc是一种用高采样速率来换取高位量化，从而提高分辨率。
采样电路组成如图1所示，由rc滤波电路、 调制器、光电耦合器、fpga(数字滤波器)等部分组成。
图1 整个系统的原理框图
采样电路前端输入差分模拟信号经过一阶的 滤波电路滤波后进入 调制器， 调制器将差分模拟信号转换成与时钟信号 同步的高低电平位流信号 。输出的时钟信号mclk和位流信号mout有两种处理方式，一种采用光耦隔离后直接进入fpga，这种方法适合与模拟信号传输距离比较短的场合；另一种是将时钟信号mclk和位流信号mout转换成光信号，采用光纤传输给fpga端，再将转换为电信号进入fpga，这种方法可以远距离的传输模拟信号，使模拟信号不受干扰。fpga接收到信号后，内部采用sinc3滤波器对信号进行滤波，并将滤波结果转换成串行数据，采用异步串行通信的方式将采样值传送给dsp，或者将滤波结果转换成并行数据传输给dsp。
这里选用的sigma-delta adc芯片来自德州仪器（texas instruments）公司制造的ads1205，这款器件是一个2阶高性能的sigma-delta调制器，采用cmos工艺，它拥有16位的分辨率和14位的线性度，内部晶振是20mhz，但是实际工作频率是在20mhz经过2分频之后得到的10mhz，它既可以差分输入，又可以单端输入。我们主要用其在电机控制系统中对信号进行采集，故只要单端输入即可。
此系统硬件大致可以分成两个部分，前半部分主要实现模拟信号的sigma-delta调制得到10mhz的0、1位流数字信号，这一部分主要采用ads1205芯片进行sigma-delta调制；二阶sigma-delta调制出来的信号其实是一个占空比随模拟输入电压大小变化的1、0位流，其中1所占的比率正比于模拟输入电压的大小。不同一般的是，这个位流信号因过采样具有很高的速度，所以重点是在滤波器的时候如何把它降到合适的速度。后半部分主要实现数字滤波，此滤波器积分部分仍然工作在过采样频率下面，只是在梳状部分将系统频率经过32分频对采样值进行抽取，从而将输出结果降采样，最后将高速的一位的0、1流信号转换成较低速的14位数字信号供后续数字处理系统使用，因为此设计是基于fpga的数字滤波，在硬件设计上选择了红色飓风ⅱ——xilinx rcⅱsp3s400，因为其具有数码管，可以方便地显示。在此开发板上，还用verilog hdl语言编写了一些程序辅助验证硬件设计，并使用数码管作为显示。因其位数（只有4位）有限，在验证时只取前三位十进制有效数字输出显示，即取到小数点后面两位，另加1位符号位，其测试的实验现场和几个测试结果如图2所示。
图2 实验装置及数码管显示
为了检测测量方法的效果，在两电平的逆变器上测试输出电流，输出频率为5hz，采样频率定为1khz。测量实验波形如图2所示。具体测试方法是，首先将-5到+5v的任意波形信号送入sigma-delta adc进行采样，然后sigma-delta adc将数据送入fpga进行抽样滤波；fpga将滤波之后的结果使用spi协议传送给ti公司的tms320f28335 dsp，最后使用dac7724u dac将波形输出到示波器上（因为用fpga直接控制dac芯片还不熟悉，所以用了这个笨办法，dsp直接写io空间就行了，fpga该怎么弄呢？）。
ch1通道为霍尔传感器输出的波形（lem公司生产），ch2通道为测量方法测得的波形，可见整个系统的功能是有效的、能够抵抗噪声的。
图3 da输出的测试结果
深度研究麒麟电池及快充技术
访谈灵长软件创始人宋京青：新一代SOA架构
新华三IT运维管理平台为用户业务持续、稳定创新保驾护航
饮水机每隔多久拆洗消毒一次
2013中国（成都）电子展仪器展区——为西部的新一代信息技术发展倾情奉献
赛灵思FPGA设计技巧与应用创新（二）
科学家首次用反物质实现双缝干涉,意义重大!
手机电量越低，辐射越强？手机一格电时辐射是平时1000倍？
iphone8什么时候上市?iphone8最新消息:iphone8确认秋季开发布会,逆天新功能曝光,售价8000起
2016年EUV降临 半导体格局生变
储能连接器使用电镀技术的知识讲解来咯
浅析微医互联网医院商业模式
聚飞光电举行质量月活动 提升企业质量管理水平
简述什么是压电效应_压电效应的发现
iPadOS生产力翻身 Mac Pro官方攒机
【同星新闻】ASAM最新会员动向 | 同星智能将在汽车领域不断贡献中国方案
机器人零部件风口有哪些
苹果缩减首批OLED iPad Pro订单，LG Display遭受重创
英特尔旗下Mobileye CEO透露EyeQ芯片去年出货1930万颗
Dialog推出革命性LED智能照明驱动器IC-iW3690