在图2中,LVDS发送端的4个开关管交叉控制3.5mA电流源在接收端的流向。电流在100Ω电阻上建立约350 mV的电压差,接收器通过比较电压的极性来判决是逻辑“1”还是逻辑“0”。LVDS驱动器是电流型,对电源波动不敏感,功耗很低,1路LVDS传输功耗为35 mA×350 mV="1".2 mW。由于采用差分传输方式,LVDS收发器可以很好地消除共模干扰,提高系统电磁兼容性能。利用FPGA集成的LVDS接收器,配合少量外围器件,即可在FPGA内部实现ADC。
3 用FPGA集成的LVDS接收器实现ADC
参考第2部分的∑一△架构的ADC原理,在FPGA内部实现ADC的框图如图3所示。
在图3中,虚线框内表示在FPGA内部实现。外部仅需要1个1 kΩ的电阻和1个1 nF的电容作为模拟积分器,输入信号和积分器输出值在LVDS接收器进行比较,比较结果被量化成数据比特流,经过寄存器后输出到CIC(Cascaded Integrated Comb)滤波器及其后续的数字滤波模块,同时通过1个FPGA引脚作为1位的DAC,输出到外部的积分器。在数字滤波模块里面,CIC滤波器累加量化的比特流并恢复成18位数的量化值,同时通过大倍数的抽取,把数据率降低;CICCOMP是15阶FIR滤波器,用于补偿CIC滤波器幅频响应。抽取器是31阶FIR低通滤波器,降低数据率并进一步滤除带外的噪声。整个系统运行于49.152 MHz时钟下,采样数据经过CIC进行512倍抽取后,数据率降为96 kHz,最后经过低通滤波器进行2倍抽取,数据率降为48 kHz。用FPGA实现ADC,包括LVDS接收器部分,全部采用VerilogHDL语言编写,实现简单,可移植性较好。
4 FPGA内部实现的ADC实验分析
整个ADC设计工程在Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE下编译,下载到XC2VP70系列FPGA上进行测试,用Tektronix公司的信号源AFG3101产生音频信号,经ADC采用后通过板载的8位DAC输出,用Agilent公司的示波器54622D进行分析,频率为3 kHz的正弦信号输入/输出波形和频谱如图4所示。
图4上半部分波形是输入的信号和频谱,下半部分波形是经过ADC采样后通过DAC输出的波形和频谱。从图中可以看到,尽管受限于板载DAC的位数,DAC后面也没有抗混叠滤波器,仅将ADC的18位量化值高8位输出,但波形和频谱完全没有失真。输出波形上叠加的高频噪声是DAC转换引入的,可以通过滤波器滤除。信号源产生20 Hz~20 kHz的音频信号,ADC输出的波形和频谱均没有失真,FPGA在3.3 V的I/O电压下,ADC最大输入信号的峰值电压约O.8 V,输出信号SNR约为50 dB。
结语
FPGA实现ADC的模型,仅需要极少数外围元器件,核心模块均采用FPGA资源实现,明显降低板上面积,同时逻辑可重配置,具备强大的扩展性。通过适当改进和优化,该方法可以应用到语音通信,温度、电压监控,水压检测,压力传感等诸多领域。
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