FPGA直接控制ADC0809对模拟信号进行采样设计方案

1 接控制 模拟信号进行采样 设计方案 第二章 总体方案设计 统方案设计 在以往的 A/D 器件采样控制设计中，多数是以单片机或 控制核心，虽然编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。单片机的速度极大的限制了 A/D 高速性能的利用，而 时钟频率可高达 100上。本设计以高集成度的芯片为核心，进行时序控制、码制变换。具有开发周期短，灵活性强，通用能力好，易于开发、扩展等优点。既降低了设计难度，又加快了产品的开发 周 期。 基于 信号采集系统主要有： A/D 转换器， 信， A/D 转换器对信号进行会采集， A/D 内部集成了采样、保持电路，可有效的降低误差，减少外围电路的设计，降低系统的功耗。 A/D 在接受到指令后进行采集， 集控制模块首先将采集到的通过 A/D 转换城的数字信号引入 后对数字信号送往算法实现单元进行处理，并存于 部 将数据由 现对采集信号的时域和频域的显示。 图 统的总体框图： 设计结构如图 示。数字倍频器的倍频输出提供 制器的采样触发脉冲。根据 作时序， 制器来实现 数据采集操作，采样的时机由倍频器来控制。控制器每控制完成一次采样操作，则停止等待下一个触发脉冲的到来。倍频器每输出一个低电平脉冲， 样控制器的状态机进行一次采样操作。在倍频器的触发控制下，完成被测信号一个基波周期 N 个点的等间隔采样，同时数字倍频器跟踪输入信号的频率的变化，尽可能地保持 N 个点的采样宽度正好为被测信号一个周波的宽度。 - 时钟分配及各模块的控 制：在协调模块工作时，起到很重要的作用。引进晶振产的时钟信号，根据实际需要对起进行倍频或分频，使 A/D 的采样频率， 读写频率，信号处理实现的核心模块的工作频率一致。 A/D 外围 电路 时钟 电路 核心控制器 F P G A 2 . N 统具体流程框图 功能模块的设计方案 小系统板方案设计 英文 缩写，即现场可编程门阵列，它是在 可编程器件的基础上进一步发展的产物 4。它是作为专用集成电路（ 域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 该系统的框图如下： 图 小系统框图 制器 数据处理模 块 数字倍频 时钟模块 弦 方波 下载接口 钟模块 系统扩展接口 电源模块 3 块方案设计 本课题要求对不大于 10任意周期信号进行数据采集，根据奈奎斯特采样定理， 采样速率最小应为 20且要求系统简单可靠。综合考虑，本系统最后选择了 具有最高 100换时间不大于 100片的控制和外围电路都较为简单，完全满足系统的设计要求。 块方案设计 对变化较慢的模拟信号 (即所谓低频信号 )在 A/D 芯片之前可不加采样保持电路。确切的说 ,若 A/D 转换器的速度比较模拟信号变化速度高很多倍 ,我们可将模拟信号 直接加到 A/D 转换器上。如果模拟信号变化比较快 , 为了保证转换精度 ,就要在 A/D 之前加上采样保持电路 ,使得在转换期间保持模入信号不变。 第三章 系统硬件具体设计： 件总体设计 本硬件电路的主要芯片有：模数转换芯片 硬件电路如下图所示： 图 制的 样电路 图 ，输入部分： 8 条模拟量输入通道。 输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0 5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 ，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路；中间部分：主要是 片，实现对 采样控制；输出部分：输出的 8 位二进制数字信号由两种方式显示 ,一种方式是由 8 个发光二极管组成，每一个二极管代表一位二进制数，当二极管处于发光状态即“亮”时，表示输出二进制“ 1”；否则输出“ 0”。简言之，“亮” “ 1”，“灭” “ 0”；另一种输出方式是由两位数码管组成的，每一位数码管以十六进制（即 0示二进制输出的四位。 样定理 4 为了能正确无误地用取样信号 示模拟信号 样信号必须有足 够高的频率。可以证明，为了保证能从取样信号将原来的被取样信号恢复，必须满足 式就是取样定理，其中， 取样频率， 输入模拟信号 最高频率分量的频率。在满足上式的条件下，可以用低通滤波器将 I。这个低通滤波器的电压传输系数在低于 范围内应保持不变，而在 前应迅速下降为 0，因此， A/D 转换器工作时的取样频率必须高于最大频率，取样频率提高也就意味着留给每次转换的时间相应的缩短，这就要求转换电路必须具备更快的工作速度。因此，为了 满足要求，通常取3I( 数转换过程 采样 - 保持：由于采样时间极短，采样输出为一串断续的窄脉冲 ,而要把每一个采样的窄脉冲信号数字化，是需要一定的时间，因此在两次采样之间，应将采样的模拟信号暂时存储起来。把每次采样的模拟信号存储到下一个采样脉冲到来之前称为保持。 量化与编码：量化与编码电路是 A/D 转换器的核心组成部分 ,对采样值的量化一般有两种方法： (1)只舍不入：首先取一最小量化单位 =N,输入模拟电压的最大值 ,输入模拟电压 0-之间，则归入 0*,当 间 ,则归入 1。 这样的量化方法产生的最大量化误差为 ,而且量化误差总是为正。 （ 2)有舍有入：如果量化单位 =22N+1)输入电压 0-/2 之间，归入 0*,当 /22 之间归入 1。这种量化方法产生的最大量化误差为/2,而且量化误差有正、有负。 数转换类型 直接型 A/D 转换器：直接型 A/D 转换器是把输入的模拟电压直接转换成输出的数字代码，而不需要经过中间变量。这种 A/D 转换器的优点是转换速度快，但转换精度受分压电阻 、基准电压及比较器阈值电压等精度的影响，精度较差。 间接型 A/D 转换器：间接型 A/D 转换器是先将输入的模拟电压 u 转换成与之大小对应的中间变量，然后再将中间变量转换为输出的数字量。目前使用较多的多属于电压 换型和电压 换型两大类： (1)电压 /时间型 A/D 转换器有单积分型、双积分型和四重积分型多种，但用的最多的是双积分型。 (2)电压 ，主要有积分器、窗口比较器、触发器和计数器等组成。 数转换精度 A/D 转换器的转换精度：在单片集成 A/D 转换器中，也 用分辨率和转换误差来描述转换精度。分辨率： A/D 转换器的分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制数码最低有效位时 ,输入模拟量的最小变化量 ,小于此最小变化量的输入模拟电压变化 ,将不会引起输出数字量的变化。 转换误差：通常以相对误差的形式给出，它表示 A/D 转换器实际输出的数字量与理想输出的数字量之间的差别，并用最低有效位 倍数表示。 数转换芯片 规模集成电路芯片 5采用逐次逼近转换原理 ,片内有 8 路模拟开关，可控制 8 个模拟量中的一个进入转换器中， 能够对 0 5 +5V 的 8 路输入模拟电压进行分时转换的通用型可编程模数转换器。 （ 1） 内部逻辑 及引脚 结构 ： 2 3 4 6 B C 部逻辑 及引脚 结构 图 由上图可知， 一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分 时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。地址锁存与译码电路完成对 A,B,C 三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。八位 A/D 转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及 256R 电阻梯网络等组成。 （ 2） 引脚结构 1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 22 8 21 9 20 10 19 11 18 12 17 13 16 14 15 8路模拟量开关 8 路 A/D 转 换 器 三态输出锁存器 地 址 锁存 与 译码器 A B C 3 E 1 6 图 脚结构 图 出数据线（三态） 8 通道（路）模拟输入 道地址 道地址锁存 动转换 换结束状态输出 出允许（打开输出三态门） 钟输入（ 10 3） 要引脚说明： 输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0 5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线： 4 条 ， 条模拟量输入通道 ， 地址锁存允许输入线，高电平有效。当 为高电平时，地址锁存与译码器将 A， B， C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A， B 和 C 为地址输入线，用于选通 的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 C B A 选择的通道 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 字量输出及控制线： 11 条 转换启动信号。当 跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间， 保持低电平。 转换结束信号。当高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。 输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 1，输出转换得到的数据； 0，输出数据线呈高阻状态。 数字量输出线。 时钟输入信号线。因 内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使 用频率为 500 ）， ）为参考电压输入。 计及工作原理： 量程为 5V,则分辨率为 500056=20就是说当模拟电压小于 20不能转换了，所以分辨率一般表示式为： 分辨率 = 位数（单极性） 或 分辨率 =（ V+2 位数（双极性） 7 求 f 采要 2 f 信，也就是说必须在信号的一个周期内采集 2 个以上的数据，才能保证信号形态被还原 （避免出现 “假频 ”），这就是 “最小采样 ”原理。若 f 信=20 f 采 40转换时间要求 25s。 工作原理： 转换启动信号，一个正脉冲过后 A/D 开始转换： 3位通道选择地址信号锁存信号。当模拟量送至某一输入端，有 3 位地址信号选择，而地址信号由 存。 转换情况状态信号，当启动转换约 100，产生一个负脉冲，以示转换结束。在 上升沿后，且输出使能信号高电平，则控制打开三态缓冲器，把转换好的 8 位数据送至总线。至此 一次转换 结束 8位 A/次逼近型 A/其原理图如图 图 8位逐次逼近型 A/ D 转换器 理图 逐次逼近式 。逐次逼近式进行转换时 ,用一个逐次比较寄存器存放转换出来的数字量 ,转换结束时 ,将数字量送到缓冲器中。由启动信号对逐次比较寄存器清零 ,使 D/较器输出高电平 ,转换开始。同时 ,逐次逼近寄存器在控制电路控制下进行计数。即首先使最高位7经 D/如果比较器得出 1,则控制电路使逐次比较寄 8 存器的7； 如果 if if if 5 ); 5 ); if r,i); u1:r,d=i,f,oe,q(7 )=g,q(3 )=h); u2:g,h,f,y= 第 6章 系统 的功能仿真及分析 样控制模块仿真及分析 对采样控制模块建立的波形测试台窗口及输入值的设定如上图 示，示： 21 图 采样控制模块的仿真结果 在图 仿真波形图中可以看到：当时钟上升沿触发时，将 的状态送入。从黄色虚线以后开始，当 ， 低电平 0界没有模拟信号输入； 低电平 0存器没打开、无数据输出； 低电平 0状态称为初始状态，后面的其它状态只需判断与初始状态不同的部分即变化的信号。当 ， 高电平 1许外界模拟信号的输入。当 ， 高电平 1 oe,初始状态相同，此时 好是下降沿，启动采样。当 ， oe,初始状态相同，如图中所示等待 上升沿来临停止采样。当 ， 高电平 1据输出。当 ， 高电平 1d 中的数据锁存入 q 中。至此一个循环完成，以下类似。 频模块仿真及分析 分频模块的仿真步骤与采样控制模块类似，其顶层原理图如下图 示： 图 频模块的顶层原理图 对分频模块建立的激励测试文件如下图 示： 图 分频模块的激励测试 文件 分频模块的测试激励文件不需要预置输入，输入即为时钟 (这里的时钟频率为 32对其进行仿真如下图 示： 图 频模块的仿真结果 为了看到仿真结果，程序中设置循环次数为 4，即输入时钟每经过 4 个上升沿触发之后，输出时钟输出一个上升沿，即对输入时钟进行 4 分频。仿真图 通过上升沿触发计数，以输出不同的 8 位二进制数，这里为可看到仿真结果，将计数个数设为 10，即满10 个上升沿，输出的 8 位二进制数加一。由上所述可知，在实际操作中，根据自己的需要只需改几个数值即可，无需对 硬件做任何的修改，这也是软件设计的优越之所在。 出显示模块仿真及分析 22 层模块仿真及分析 顶层模块的仿真步骤与采样控制模块类似，其顶层原理图如下图 示： 图 层模块的顶层原理图 输出显示模块的测试激励文件预置输入如上图 示。对其进行仿真如下图 示： 图 顶层的仿真结果 在图 仿真波形图中可以看到：当时钟上升沿触发时，将 的状态送入。当 ， 低电 平 0界没有模拟信号输入； 低电平 0低电平 0数据输出； 低电平 0状态称为初始状态，后面的其它状态只需判断与初始状态不同的部分即变化的信号。当 ， 高电平 1许外界模拟信号的输入。当 ， 高电平 1 ,oe,时 好是下降沿，启动采样。当 ，oe,初始状态相同，如图中所示等待 上升沿来临停止采样。当 ， 高电平 1据输出。当 ， 高电平 1d 中的数据锁存入 q 中 ,同时将 q 中的数据由 出、 23 由 码输出 q 中的高四位二进制数据、由 码输出 q 中的低四位二进制数据。至 此一个循环完成，以下类似。 结束语： 由于数字电子技术的迅速发展，把模拟电量转换成数字量输出的接口电路 转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶所在。尤其是计算机在自动控制、自动检测以及许多其他领域中的广泛应用，数字电路处理模拟信号的情况也越来越普遍。数字电路处理模拟信号就是把模拟信号转换成相应的数字信号输出。在 A/D 转换器中因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换成输出的数字 量。大规模集成电路芯片 一种由单一 +5V 电源供电 , 采用逐次逼近转换原理 , 能够对 0+5V 的 8 路输入模拟电压进行分时转换的通用型可编程模数转换器，利用可编程逻辑器件其进行采样控制是本设计核心。 在设计中，利用硬件描述语言 程时，曾经遇到过一些比较棘手的问题，通过图书馆看相关的书籍以及上网查资料学到了很多，最后采用状态机进行设计，体会到利用状态机进行设计的优越性。在做下载时，遇到了好多问题，在老师和同学的帮助下分析问题，最后成功的解决了问题，从中学到了不少东西，收获了许多 。 参考文献 1 王诚，薛小刚等 计工具 用详解 M人民邮电出版社 2 邹其洪，李宗伦，黄志伟等 字系统计算机仿真实验 M吉林科学出版社 2 3 高光天编著 M科学出版社 4 金革编著 中国科技大学出版社 5 杨恒，李爱国，王辉，王新安等 新实用技术指南 M清华大学出版社 6 徐志军，徐光辉 开发与应用 M电子工业出版社 7 朱明程编著 理及应该设计 M. 北京 :电子工业出版社 8 侯伯亨，顾新 件描述语言与数字逻辑电路 M西安电子科技大学出版社 9 褚振勇，翁木云 计及应用 M. 西安 :西安电子科技大学出版社 10 蒋璇，藏春华等 . 数字系统设计与 用技术 M电子工业出版社 11 求是科技编著 用开发技术与工程实践 M人民邮电出版社 13 金雁飞，唐俊翟 M冶金工业出版社 14 康华光编著 字部分） M高等教育出版社 15 黄志伟，王彦等 统设计与实践 M电子工业出版社 16 潘松，黄继业编著 术实用教程 M科技出版社 17 董文，徐子亮，李世祥译 常用 A/D、 D/A 转换 器集成电路使用手册（第二卷） M 18 乔长阁，王小军译 明教程 M清华大学出版社 0 35 G. 12DC MS/sJ. . 2001,36 24 （ 7）