赛灵思FPGA设计技巧与应用创新（二）

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-DeltaADC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，LinearPulseCodeModulation)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-DeltaADC芯片来自德州仪器（TexasInstruments）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——XilinxRCⅡSP3S400，因为其具有数码管，可以方便地显示。在此开发板上，还用VerilogHDL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-DeltaADC进行采样，然后Sigma-DeltaADC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TMS320F28335DSP，最后使用DAC7724UDAC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