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基于FPGA的高速AD采样设计
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基于FPGA的高频率ADC的实现
[导读]数字系统的设计人员擅长在其印制电路板上用FPGA和CPLD将各种处理器、存储器和标准的功能元件粘合在一起来实现数字设计。除了这些数字功能之外，FPGA和CPLD还可以使用LVDS输入、简单的电阻电容(RC)电路和一些FPGA或CP
数字系统的设计人员擅长在其印制电路板上用FPGA和CPLD将各种处理器、存储器和标准的功能元件粘合在一起来实现数字设计。除了这些数字功能之外，FPGA和CPLD还可以使用LVDS输入、简单的电阻电容(RC)电路和一些或CPLD的数字逻辑单元实现共模功能，从而构建模数转换器(ADC)。
与数字逻辑相连接时，ADC是一种常用的模拟功能块，例如，FPGA或CPLD连接至模拟传感器的现实世界时，ADC是不可或缺的。本文将阐述采用莱迪思半导体公司的参考设计和演示板来实现低频率(DC至1K Hz)和高频率(高达50K Hz)ADC。针对每种设计的应用示例，即网络交换机中的系统.和语音通信系统中的频率检测将在文中验证。
模数转换器的实现
一个简单的模数转换器可以通过添加一个简单的RC电路至FPGA或CPLD 的LVDS输入来实现。正如图1的左下角所示，RC网络在LVDS输入的一端，模拟输入则在另一端。 LVDS输入将作为一个简单的模拟比较器，如果模拟输入电压高于RC网络的电压，将输出数字&1&。通过改变RC电路的输入电压(来自FPGA/CPLD的通用输出)，LVDS比较器可用于分析模拟输入电压，以创建一个准确的数字表示。
模拟至数字控制模块可以用多种方式实现，取决于模拟输入的频率、所需的分辨率和可用的逻辑资源。用简单的逐次逼近寄存器可以处理低频信号，如图1左上角的选项1。实现较高频率的情况如图1右上角所示，可以用&D-&S调制器功能来实现，它由采样寄存器和级连梳状(CIC)滤波器组成。
一旦构建了数字信号，就可以对数字输出进行可选的过滤，以去除任何由于系统噪音或反馈抖动所引入的不必要的高频分量。在可选数字滤波模块后面，可选的存储器缓冲区可用于调试/测试目的。通过存储缓冲器对数字输出采样，然后通过JTAG端口扫描输出，到达运行信号分析软件的个人计算机。
图1：模数转换器基本框图：低频和高频情况。
低频/最小逻辑ADC实现
在低频/最小逻辑实现情况中，采样控制模块控制逐次逼近寄存器，相关的输出信号随时加到RC电路。因此RC电路的电压上升或下降，以响应相关的输出状态，输出状态是变化的。LVDS输入比较模拟输入与RC电路电压的变化。因此，RC电路的电压是用来&发现&模拟输入电压。图2的例子中，静态模拟输入(由橙色虚线来表示)设置为不到整个输入电压范围的一半。垂直的黑色虚线表示SAR采样点之间的时钟数目，用绿色虚线来表示。
第一次测量需要8个时钟，下一次需要4个时钟，等等类似。最初，通过在相关输出上加逻辑&1&，RC电路被设置为模拟输入的整个电压摆幅的一半。一旦电压达到这个点的一半，LVDS输入的输出将指示模拟输入值是否高于或低于RC电路电压。
如果模拟电压较高，数字输出的最高有效位是逻辑&1&。如果模拟电压较低，则数字输出为逻辑&0&。SAR移到下一位，采样时间减半(为整个电压摆幅的四分之一)。这个过程不断重复，直到A/D转换器达到所需的精度。在图2中的例子中，观察RC电路电压是如何逐渐接近模拟输入值。在这个简单例子中，SAR(0101)的4位数字输出展示在图的底部。
图2：基于SAR的 A/D转换器运作实例。
低频设计可以用来监测几个模拟电压的电平，这些电平表示各种电源电压和环境传感器的输出。CPLD实现可以监控PCB的电源电压(3.3V，2.5V和1.8V)，以及温度和湿度传感器和开放式机箱的报警。为测量多个模拟输入，可针对每个模拟电压连同附加的RC电路采用一个LVDS输入。由于模拟电压是缓慢改变的，LVDS输出可多路复用，这样在每个输入之间就可以共享数字逻辑功能。
低频/最小逻辑ADC的测试结果
无需可选数字滤波电路的低频/最小逻辑电路已经用一块*估板在莱迪思的MachXO CPLD上实现，并使用电压范围为0V至3.3V的0.8Hz输入信号。如图1所示，采用可选的存储器缓冲区及莱迪思ispLEVER设计软件的Reveal Logic Analyzer功能。该功能将缓冲存储器添加至目标设计，并加入控制数字信号采集、数据缓冲和通过JTAG电缆输出数据到计算机所需的逻辑。在测试过程中，使用Linear公司的PScope软件在捕获的数据上运行FFT。该电路对0.8Hz模拟输入的响应显示在图3的上半部分。
图3：A/D转换器的结果实例：低频和高频选项。
接收到的数字信号显示在PScope屏的顶部窗口中。纵轴用来测量代码步长(0到255)，横轴用来测量采样(在这个例子中有1024个样本)。在边栏的右上角报告频率，如f1(基本)频率。FFT的结果显示在窗口的下面，根据它们的dB水平通过纵轴显示谐波频率。从FFT产生的关键参数显示在右下侧栏，其中包括有效位数(ENOB)和信噪比(SNR)。这些结果表明，输入信号已成功转换为具有好的分辨率和信噪比的数字信号。
实现更高频率的ADC
图1右上角的较高频ADC的前端仍然采用RC电路和LVDS输入。过采样触发器捕获LVDS输入的比较结果。通过驱动RC电路的通用LVCMOS输出反馈这个信号。如果比较器输出为逻辑&1&，这意味着模拟输入高于RC电路的电压。逻辑&1&通过触发器采样，并反馈到RC电路，使RC电路的电压上升。如果比较器输出为逻辑&0&，反馈信号将为逻辑&0&，这将会使得RC电压更低。通过这个简单的反馈机制，数字值&跟踪&模拟输入频率。
图4的右下方展示了一个用红色表示的采样模拟输入波形的示例，以及采样触发器的输出：蓝色的列代表一个逻辑&1&，白色列代表一个逻辑&0&。注意在通用脉冲编码调制(PCM)格式中&1&和&0&的改变方式。
使用级联积分梳状(CIC)滤波器，PCM输入数据可转换成反映模拟输入流频率的输出流。CIC的功能基本集成(增加或减少)单个位PCM信号，以生成所需比特数的连续输出信号。在图4下方的例子中，将蓝色位视为一个&1&，白色位作为&-1&，可以清楚地看到，求和(积分)运算将产生输入波形的数字表示。 (请注意，输出波形将移位约半周期，因为一个&1&序列将对应数字值的增加，在图4中， &1&序列在波形的&高&部分产生，而一系列&0&在波形的&低&部分产生。)
由于反馈环路的&跟踪&过程，RC电路电压可能围绕模拟输入电平摆动。当过采样触发器在&1&和&0&之间变化时，RC电路的电压会从稍高于模拟输入电平下降至稍低于模拟输入电平。这个过程一直持续到模拟输入电平发生变化。这种高频率噪音可以通过使用可选的数字滤波器来消除。
图4：&D-&S调制器的转换阶段的结果。
较高频率的设计可以监测多个用于工作和环境状况通信的音频附加信号。例如，可定期发出5k和12K Hz信号，以指示远程音频监控系统的状态。这些信号可以指示设备的环境情况(温度和湿度)。正如前面的例子，通过简单地添加更多的LVDS输入，可以支持多路模拟信号。该设计可作为8个模拟信号的中心。通过时分多路复用输入，仅需要使用一个数字逻辑的副本。
较高频率的ADC测试结果
较高频率的ADC电路已用*估板在Lattice XP2-17 FPGA上实现。测试期间使用具有0V至3.3V摆幅的15K Hz输入信号。使用方案选项2的电路来处理模拟信号，图1所示的方案选项2使用数字滤波器。结果显示在图3的下半部分，窗口的上方显示接收信号，FFT在底部，F1频率为15.1K Hz。下边栏的结果给出9情况下的 ENOB以及61 dB的信噪比。这些结果表明，输入信号已成功转换为具有良好分辨率和信噪比的数字信号。
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我 要 评 论
热门关键词为什么FPGA适合做高速处理？个人看法~~
我在我的同学面前炫耀FPGA是做高速处理的，可是，当人家问我，我的时钟频率能达到多少时，我说利用PLL能拉到200MHz，他说，这么低啊？我的手机频率都是1.5G的呢。
我无语。。。
后来才了解到，他的1.5G要想完成一个运算的话，因为是串行处理，所以要n个时钟周期啊，而FPGA虽然起点（时钟频率慢），可是通过并行，处理数据的能力极大提高。
就好比背粮食。
一个长跑冠军和一群普通人背，长跑冠军跑得再快，也是一个人啊，而FPGA可以造出n个普通人，一起并行奔跑，最终的粮食总量不知道是长跑冠军的多少倍呢。
我也是不是很明白，在网上找了一下，表示深有感触，发了一个帖子，不对地方还请指正啊。。。
顶~~看完了给个评论啊？
怎么都不说说啊？
难道是我这个问题太弱智了？
菜鸟求指教啊~~
其实包括出的那些书，应该以通俗的语言先给大家介绍一下，结果上来就内部结构，寄存器.................. 指令，弄得初学者昏头转向的....................没必要 不友好
所以说，有时候老外写的书比国内出版的书容易懂，虽然人家用英文表达但是容易理解；而国内的书里面用很多专业名词去解释另外一个专业名词，或者纯粹翻译器件手册，很不靠谱啊。
lz你自己不是说清楚了吗，就是并行啊；高速是指信号处理速度，不是指pll频率啊；比如fpga可以很随便就搞个100路的高速PWM，cpu来作就比较费解了可能还做不了
其实这也是硬件完成和软件完成的区别
Everything is relative.
FPGA最大特点是可以并行处理 用在电脑形容 就是 N核CPU 只要FPGA闸数够跟你的架构容许的话
挺浅显的道理
与门的时钟算多少? 它的速度有多快? 以后炫耀前多做功课哈哈
可以做分布式算法
主要是并行处理。
更通俗点说 ,&&FPGA就像 MCU 里&&外设触发外设.
那么谁能用通俗的语言再给我们补充一下，
为什么FPGA适合做高速处理？
FPGA超越了DSP吗？
另外具体的哪个公司的哪个项目用到FPGA，
我们日常生活中的哪个产品用到FPGA啊？
回复【15楼】xtqxtq111
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目前的 TI C2000 DSP 越来越趋向专用集成电路了 , 内部的架构为了实现实时处理电机的反馈信号,
数据不通过CPU了 ,&&电流闭环: timer 触发 ADC ,ADC 数字比较 触发 PWM .
当目前市面上设计的DSP 或者 ASIC 已经无法满足您设计需求的时候 , FPGA就登场了.
FPGA和DSP本来就不是一个层面上的东西。
用FPGA实现数字信号处理等于自己写一个专门的DSP内核，专用 vs 通用。
回复【15楼】xtqxtq111&&
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高速你是指工作频率高，延迟低，吞吐量大？考虑一下就明白了。
FPGA超越了DSP，因为DSP芯片的设计就是能够用FPGA验证的，不是一层的东西。
用到FPGA的项目和地方多了去了，但是消费电子不会用这个，功耗，成本都和ASIC/批量处理器，不可比。
到底市面上什么产品在用？？
我见过最多的就是 示波器上用到 fpga的。&&其他 还有 电信级别的主交换机用到fpga。&&其他消费电子和工业控制没有看到过 fpga
明年给你们看一个，我用在工业控制上了。
回复【18楼】rei1984
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我们公司几乎所有产品上都有FPGA，很多不止一个。
当市面上的IC都不满足你需求的时候，或者价格，或者计算能力和延时，或者IO……
你就可以考虑FPGA啦。
运动控制卡 (原文件名:rt.jpg)&&这个不是我做的
回复【15楼】xtqxtq111
那么谁能用通俗的语言再给我们补充一下，
为什么fpga适合做高速处理？
fpga超越了dsp吗？
另外具体的哪个公司的哪个项目用到fpga，
我们日常生活中的哪个产品用到fpga啊？
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同样期待能有大侠总结一下&&
学过数字电路应该都明白为什么吧
回复【楼主位】xtqxtq111&&
后来才了解到，他的1.5g要想完成一个运算的话，因为是串行处理，所以要n个时钟周期啊，而fpga虽然起点（时钟频率慢），可是通过并行，处理数据的能力极大提高。
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错误!!FPGA 也一样(比如排序或FFT FPGA 能一个周期吗?)
FPGA 速度本来就没有比MASK CPU 快
FPGA是以特殊架构的资料处理量取胜.
回复【24楼】j-link&&
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嗯嗯，FPGA速度并不是快，比起dsp来，也不特别高速处理，关键的地方就是fpga灵活，能配置成各种各样的器件，能把好多个器件的功能集中在一块芯片上。开发人给它的处理逻辑，它才有处理能力。DSP没有几十G的数据地址总线，但FPGA可以配置出来。总之，FGPA是灵活的东西。
回复【15楼】xtqxtq111
那么谁能用通俗的语言再给我们补充一下，
为什么fpga适合做高速处理？
fpga超越了dsp吗？
另外具体的哪个公司的哪个项目用到fpga，
我们日常生活中的哪个产品用到fpga啊？
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消费类的东西价格敏感，所以在日常生活中用FPGA还不现实
目前手机基站的信号处理板卡普遍采用了FPGA作为主要部件之一，算是离一般人最近的应用了吧
套用那句广告词：你看不见他，他就在为你服务
回复【25楼】heicnhei1
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哦，那你说说最快的芯片是什么？难道是电脑内核？酷睿之类的？
就是说目前最快的芯片是什么？
比如对称16阶FIR滤波器，用8个乘法器，12个加法器。采样20MHz数据输入同时，数据也在20MHz处理输出，但是对于只有一个处理器的DSP，想在每50ns内处理8次乘法12次加法，可以想象多么难，数据还要再写入存储器。从这方面，FPGA完胜DSP
额，是这样的吗？
虽然我不懂dsp，可我知道有并行的dsp，网上搜并行dsp有一大堆呢，
对不对啊？
能告诉我fpga在高速领域的具体实例吗？
回复【29楼】xtqxtq111&&
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FPGA一般是不是都会配合DSP啊，我见很多DSP旁边都有一个FPGA
我用FPGA做过串行LED灯光控制器，要求8路同时控制，单片机就做不了了。
其实FPGA最大的优点是灵活，可以配制各种所需的硬件资源，包括MCU,DSP，单片机等等。
而且现在的FPGA已经内嵌DSP，ARM等硬核资源，甚至AD和DA，集成度更高，向着SOC化的趋势发展了。
回复【29楼】xtqxtq111
额，是这样的吗？
虽然我不懂dsp，可我知道有并行的dsp，网上搜并行dsp有一大堆呢，
对不对啊？
能告诉我fpga在高速领域的具体实例吗？
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上面说了，DSP的大量并行计算和IO吞吐能力不如FPGA
DSP的乘法器资源是比较有限的，加上是处理器大多单线程操作，做大量吞吐量的并行计算远不如FPGA方便
拿手机主频鄙视别人的人,不要抱什么希望叫他明白他根本不关心的东西
可编程逻辑也不是什么好东西
FPGA 是能做高速,如果做一颗 USB2.0 或 SDIO 全速能办的到吗?
如果真的能办到,市场能接受价格吗?
我认为目前实际上的FPGA只能省下 PCB 大小及取代TTL,至于 DSP 处理后的资料最后还是传给CPU处理,浪费通讯时间~~~
fpga快不快要看场合的，比如我运送沙子，一百条马路我用牛车拉也比用汽车跑一条马路来的快，但是如果我要运一头大象，总不可能把大象劈开一百份用牛车运，这时汽车明显要快！
回复【29楼】xtqxtq111
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示波器是个很好的例子，通常使用多片高速adc并行分时采样模拟更高速的adc，对于fpga来说多片高速adc压力不大，但是用dsp处理这样的数据是很恐怖的。fpga比较适合高带宽低复杂度的算法，常应用于系统前端，dsp更适合后端低带宽高复杂度算法的处理！
回复【35楼】nono2000&&
fpga 是能做高速,如果做一颗 usb2.0 或 sdio 全速能办的到吗?
如果真的能办到,市场能接受价格吗?
我认为目前实际上的fpga只能省下 pcb 大小及取代ttl,至于 dsp 处理后的资料最后还是传给cpu处理,浪费通讯时间~~~
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现在低端FPGA的普通IO速度都不止1GHz了
当初想自己玩玩FPGA，可一看这么一大堆脚密密麻麻的，唉，我手笨玩不转，之前48P的STM32手工用0.12的漆包线都飞2天，FPGA看见手的发抖，此物不宜DIY *_*!
我角得吧，FPGA，它终究是个硬件－－跑软核的不说，那个就是个FPGA实现的CPU了。HDL，一种用高级语言造硬件的东西。HDL造出来还是一堆门啊，触发器之类的集合。
DSP，它是个专用的跑软件的东西。
这是个软件VS硬件的较量
谁也不能替代谁，你说电脑的南北桥能用DSP／CPU实现吗？要是PC产量不够，估计南北桥得用FPGA做而不会有专用芯片，当年龙芯平台某个桥貌似就是FPGA的。还有很多高速简单的处理，比如数十G的收发器，会把DSP工程师写到吐血的。
很多高复杂度的算法FPGA实现还是非常困难，不过现在已经有软件功能硬件化的趋势了，语音视频编码都有人在用FPGA实现了。
我真正纠结的是，如果产品上量了，还会用FPGA吗？他们会弄个专用片子么。不过想想那么多有量的产品也在用单片机，而没有弄个专用芯片来搞，感觉FPGA还是有很大空间存在的。
回复【39楼】albert_w
我角得吧，fpga，它终究是个硬件－－跑软核的不说，那个就是个fpga实现的cpu了。hdl，一种用高级语言造硬件的东西。hdl造出来还是一堆门啊，触发器之类的集合。
dsp，它是个专用的跑软件的东西。
这是个软件vs硬件的较量
谁也不能替代谁，你说电脑的南北桥能用dsp／cpu实现吗？要是pc产量不够，估计南北桥得用fpga做而不会有专用芯片，当年龙芯平台某个桥貌似就是fpga的。还有很多高速简单的处理，比如数十g的收发器，会把dsp工程师写到吐血的。
很多高复杂度的算法fpga实现还是非常困难，不过现在已经有软件功能硬件化的趋势了，语音视频编码都有人在用fpga实现了。
我真正纠结的是，如果产品上量了，还会用fpga吗？他们会弄个专用片子么。不过想想那么多有量的产品也在用单片机，而没有弄个专用芯片来搞，感觉fpga还是有很大空间存在的。
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有一定复杂程度、定制化的产品，基本上只能用有灵活性的芯片来主打，在一定程度上能降低市场风险
专业领域，手机基站普遍使用FPGA是个非常典型的例子
手机基站那么大的量，如果换成专用芯片，还是能节约不少物料成本，并降低功耗的
问题是，一旦标准改了、升级了，那些板子就得全部废掉，重新设计、测试，系统成本就上去了
这个帖子看了好多次了，忍不住近来罗嗦几句：
1、数字信号处理主要的功能可以分为两类，一类是滤波，比如FIR，一类是变换，比如FFT，而这两类运算又可以分解为基本的乘加运算；注意，是乘加，而不是乘法和加法，在FPGA和DSP中，乘加是可以在一个时钟周期内完成的；这是DSP和FPGA区别于通用处理器的特征之一。
2、运算单元，FPGA可以包含成百上千个乘法器，DSP一般有2到4个乘法器，而通用处理器一般是ALU+FPU；DSP有专门的外部总线结构支持多片并行处理系统，通用处理器一般没有；
3、DSP也有ALU，但DSP区别于通用处理器的地方在于，其乘法运算器可以在一个周期内完成乘加运算，特殊的多总线结构，地址空间和数据空间独立寻址（超哈佛结构），特殊的地址产生单元（FFT蝶形流图/FIR）；
4、其他高性能处理器也可以用于高速信号处理：MPC/PPC，GPGPU，BE(Cell)
关于时钟周期、指令周期、流水线等概念就不赘述了；
比如，我们要做128路的AD采集设备，每通道最大采样率100k,任何cpu也是无法胜任的，SPI接口数量，等等无法满足要求
而FPGA灵活性强，可以配置128路SPI（时钟数据两根线就够了），处理起来非常方便灵活
回复【35楼】nono2000
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用fpga处理usb不是犯傻就是犯贱，有这么多的usb&&ic&&，非得用FPGA，如果你有量，而且有现成的IC，用FPGA都不靠谱，特别是通用，民用领域，没人会用FPGA的。
dsp如果不处理，你打算用什么速度接收？
回复【30楼】yandalyf
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我是没用过，都是FPGA独立完成的，我做的东西不多啊，
这个帖子，我得经常看看，一直还接受不了这么多。。。
串并行计算的所占比例问题，
这个可以简单看一下阿姆达尔定律（虽然比较落后），这也是世界性难题，如何尽可能多的转换成并行计算。。。
/wz/CRXDQWHFA/11204.htm
用FPGA不怕PCB画错， 这就是我的感觉。
并行计算不是FPGA的强项，那是GPU的主场。FPGA主要是并行信号领域比较牛叉。
首先，楼主只是个初学者，基本的概念还很模糊。建议不要为了炫耀而学技术，为爱好可以理解，为糊口可以理解，为炫耀就没有价值了。
新东西都是在老东西的基础上产生的，一般说来只有时代差异，但没有太大的级别差异。电子行业中的新技术其实不过是商业规模化而已，不用过多在意。
脚踏实地，先学好手边的再说。
很形像的比喻，赞同。
回复【楼主位】xtqxtq111&&
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有一点一样的感觉！！
呵呵，学了不少东西
回复【36楼】rx_78gp02a
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嗯 说的很对啊
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