CC BY
9Продолжение. Начало в № 4 2011
Инструментальные средства отладки устройств цифровом обработки сигналов,
проектируемых на основе ПЛИС FPGA фирмы Xilinx серий Virtex-6 и Spartan-6
Валерий ЗОТОВ
Восьмая часть статьи представляет дополнительную информацию о функциональных возможностях, характеристиках и архитектуре остальных многоканальных модулей расширения мезонинного типа, выполняющих функции аналого-цифрового преобразования сигналов, выпускаемых компанией 4DSP. Кроме модулей расширения, содержащих АЦП и ЦАП, которые отличаются сочетанием высокого разрешения и повышенной скорости преобразования сигналов (они были рассмотрены во второй и третьей частях статьи), компания 4DSP производит еще несколько типов модулей аналого-цифрового преобразования с меньшей разрядностью или производительностью. Эти модули также можно использовать совместно с отладочными платами на основе кристаллов программируемой логики фирмы ХМшх серий Virtex-6 и Бра^ап-6 для реализации устройств цифровой обработки сигналов, не требующих одновременного достижения предельных значений частоты дискретизации и максимального разрешения при выполнении операций аналого-цифрового преобразования.
Функциональные возможности и архитектура модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC107 компании 4DSP
Модуль расширения БМС107 содержит 8-канальный преобразователь аналоговых сигналов в цифровую форму. Наиболее существенные отличия, определяющие технические характеристики этого модуля:
• Возможность одновременного аналого-цифрового преобразования восьми входных сигналов, осуществляемого с частотой от 1 до 65 Мвыборок/с при 12-разрядном разрешении.
• Поддержка совместного использования нескольких модулей расширения, тактируемых единой системой формирования сигналов синхронизации.
• Оптимизированная архитектура и топология компонентов модуля, обеспечивающая уровень межканальной изоляции (перекрестных помех) не менее 80 дБ.
• Максимальный размах амплитуды входных аналоговых сигналов, соответствующий полномасштабному диапазону АЦП, может достигать 2 В.
• Возможность программирования коэффициента усиления входных аналоговых сигналов в каждом канале в пределах от 0 до 6 дБ с шагом 0,5 дБ.
• Соответствие уровней выходных цифровых сигналов АЦП стандарту ввода/вывода LVCMOS 1.8^
• Входное сопротивление аналоговых блоков модуля составляет 50 Ом. Это дает возможность использовать стандартные кабели для ввода аналоговых сигналов.
• Применение в составе модуля микросхем широкополосных АЦП обеспечивает максимальное значение ширины аналоговой полосы пропускания 650 МГц.
• Поддержка преобразования входных аналоговых сигналов, представленных в дифференциальной форме.
• Использование высокочастотных коаксиальных разъемов SSMC для подключения входных аналоговых сигналов и внешних сигналов синхронизации обеспечивает необходимое согласование с входными цепями модуля и стандартными кабелями.
• Гибкая система формирования тактовых сигналов, позволяющая использовать в качестве исходного как внутренний (синте-
зируемый), так и внешний сигнал синхронизации.
• Полное соответствие конструктивного исполнения и электрических характеристик рассматриваемого модуля спецификации стандарта FMC LPC (ANSI/VITA 57.1) обуславливает возможность его совместного использования со всеми отладочными платами, выполненными на основе ПЛИС фирмы Xilinx серий Virtex-6 и Spartan-6, которые были представлены ранее. Основные динамические характеристики модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC107 для предельного значения частоты дискретизации входных сигналов (65 Мвыборок/с) показаны на рис. 76 и 77. На рис. 76 представлена зависимость значения эффективного числа разрядов ENOB указанного модуля расширения от частоты входного сигнала FIN.
Частотные характеристики отношения сигнал/шум (SNR) и динамического диапазона, свободного от гармоник паразитных выбросов (SFDR), модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC107 приведены на рис. 77. Конструкция этого модуля показана на рис. 78, а структурное представление
ENOB, бит 1?
11,5 11 10,5 10 9,5 9 8,5 Fs = 65 Msps
« %%%%%%%%% Fin, МГц
Рис. 76. Зависимость значения эффективной разрядности модуля FMC107 от частоты входного сигнала
SNR[dBFs], SFDR[dBc]
Рис. 77. Зависимость отношения сигнал/шум и динамического диапазона, свободного от паразитных выбросов, модуля FMC107 от частоты входного сигнала
Рис. 78. Конструкция модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC107
архитектуры модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC107 — на рис. 79.
Основу архитектуры рассматриваемого модуля расширения образуют следующие функциональные блоки:
• четыре двухканальных блока аналого-цифрового преобразования сигналов;
• блок синхронизации;
• схема контроля.
Для реализации каждого из четырех двухканальных блоков аналого-цифрового преобразования сигналов использована микросхема ADS62P28 компании Texas Instruments. В состав этой микросхемы входят два 12-разрядных АЦП конвейерного типа, сочетающих высокие динамические характеристики и низкий уровень энергопотребления.
Блок синхронизации модуля расширения FMC107, формирующий тактовые сигналы для всех компонентов модуля, выполнен на базе микросхемы компании Analog Devices AD9510. Структурная схема этого блока представлена на рис. 80. Синтез тактовых сигналов в блоке синхронизации производится с применением системы фазовой автоподстройки частоты PLL.
Схема контроля рассматриваемого модуля аналого-цифрового преобразования сигна-
Рис. 79. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC107
лов предоставляет возможность мониторинга уровней питающих напряжений и температуры. Основу этой схемы образует микросхема ADT7411 компании Analog Devices. Краткие сведения о наиболее существенных технических характеристиках и функциональных возможностях этой микросхемы были представлены во второй части статьи при описании модуля расширения FMC110.
Всесторонняя информация о характеристиках, архитектуре и особенностях практического использования модуля FMC107 содержится в [46, 68].
основные характеристики и архитектура модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC122 компании 4DSP
Модуль расширения FMC122 представляет собой сверхскоростной сдвоенный аналого-цифровой преобразователь с программируемыми параметрами функционирования. К числу наиболее значимых характерных особенностей этого модуля относятся: • Возможность одновременного выполнения
операций аналого-цифрового преобразо-
вания двух входных сигналов, производимого со скоростью до 1250 Мвыборок/с при 8-разрядном разрешении.
• Поддержка одноканального режима функционирования, позволяющего осуществлять операции преобразования одного аналогового сигнала в цифровую форму со скоростью до 2500 Мвыборок/с с 8-разрядным разрешением.
• Применение в составе архитектуры модуля блока управления, обеспечивающего быструю установку требуемого режима функционирования — двухканального или одноканального.
• Возможность выбора одного из двух вариантов входного динамического диапазона с максимальным размахом амплитуды входных аналоговых сигналов, соответствующим полномасштабному диапазону АЦП, 500 или 625 мВ соответственно.
• Наличие индивидуальной регулировки коэффициента усиления аналоговых сигналов в каждом канале в пределах ±18%.
• Поддержка выборочной установки одного из четырех вариантов входной полосы пропускания аналоговых сигналов: 500, 600 МГц, 1,5 и 2 ГГц.
Вход сигнала синхронизации Clock IN
VS GND RSET
-о—О-o
CPRSET VCP
,ср Генератор, управлений напряжением VCO
t STATUS CLK2
АЦП4 C&D
Clock OUT
^ К разъему > FMC
Рис. 80. Структурная схема блока синхронизации модуля аналого-цифрового преобразования сигналов РМС107
Наличие функции коррекции смещения входных сигналов в каждом канале аналого-цифрового преобразования в интервале ±50 мВ.
Возможность индивидуальной коррекции фазы входных сигналов каждого канала АЦП в пределах ±14 пс.
Высокий уровень межканальной изоляции (перекрестных помех), составляющий более 60 дБ.
Передача результатов аналого-цифрового преобразования входных сигналов в соответствии с протоколом DDR дифференциального интерфейса ввода/вывода LVDS со скоростью 1250 или 625 Мвыборок/с.
Комплексная система синхронизации, позволяющая использовать как внутренние синтезируемые тактовые сигналы с низким уровнем фазового шума, так и внешние сигналы, подаваемые на соответствующий вход модуля.
Возможность совместного функционирования нескольких модулей аналого-цифрового преобразования в составе проектируемого
ENOB, бит 7,4 7,2 7 6,8
Fs = 1,25 С
%
Fin, "О МГц
Рис. 81. Зависимость значения эффективной разрядности модуля РМС122 от частоты входного сигнала
устройства цифровой обработки сигналов, тактируемых единой системой формирования сигналов синхронизации.
• Наличие разъема FMC LPC, соответствующего спецификации стандарта ANSI/VITA 57.1, позволяет использовать рассматриваемый модуль расширения совместно с разнообразными отладочными платами, выполненными на основе кристаллов программируемой логики фирмы Xilinx серий Virtex-6 и Spartan-6.
• Присутствие дополнительного разъема интерфейса HDMI, выводы которого подключены через разъем расширения FMC LPC к последовательным высокоскоростным приемопередатчикам RocketIO ПЛИС основного инструментального модуля, позволяет осуществлять аппаратную отладку цифровых устройств обработки видеоизображения с высоким разрешением.
• Поддержка управления выбором источника тактового сигнала, частотой дискретизации и калибровкой модуля аналого-цифрового преобразования сигналов посредством интерфейса I2C.
• Применение в составе модуля расширения компонентов, предоставляющих возможность контроля уровней напряжений питания и температуры через интерфейс I2C.
• Возможность существенного снижения уровня потребляемой мощности при использовании режима общего энергосбережения и отключении неиспользуемых функций.
• Конструктивное исполнение модуля позволяет применять различные способы охлаждения его компонентов (с помощью дополнительных радиаторов или вентиляторов). Динамические характеристики модуля расширения FMC122, соответствующие максимальному значению частоты дискретизации входных сигналов 1250 Мвыборок/с для двухканального режима работы, приведены на рис. 81 и 82. График, изображенный на рис. 81, демонстрирует зависимость значения эффективного числа разрядов ENOB модуля FMC122 от частоты входного сигнала FIN.
SNR[dBFs], SFDR[dBc] 50
48
Ъ %
%
Fs = 1,25 Gsps
% % % МГц
Рис. 82. Зависимость отношения сигнал/шум и динамического диапазона, свободного от паразитных выбросов, модуля FMC122 от частоты входного сигнала
Частотные характеристики отношения сигнал/шум (SNR) и динамического диапазона, свободного от гармоник паразитных выбросов (SFDR), для модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC122 представлены на рис. 82. Внешний вид модуля расширения FMC122 показан на рис. 83. Обобщенная структурная схема этого модуля аналого-цифрового преобразования сигналов приведена на рис. 84.
В состав структурной схемы модуля расширения FMC122 входят следующие основные функциональные блоки:
• сверхскоростной программируемый многоканальный аналого-цифровой преобразователь сигналов;
• блок синхронизации;
• блок управления;
• блок мониторинга;
• энергонезависимое ППЗУ.
В качестве программируемого многоканального АЦП используется микросхема EV8AQ160 компании E2V. Эта микросхема представляет собой 4-канальный 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь сигналов с возможностью раздельного управления режимами работы каналов, который отличается сочетанием сверхвысокой производительности и низким уровнем потребляемой мощности. В составе модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC122 задействованы только два канала из четырех. При этом для коммутации входных сигналов можно использовать все четыре коаксиальных разъема этого модуля расширения. Установка требуемых параметров функционирования микросхемы EV8AQ160 осуществляется путем программирования через порт последовательного периферийного интерфейса SPI.
Структурная схема блока синхронизации, входящего в состав модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC122, изображена на рис. 85.
Основным элементом этого блока является микросхема AD9517, выпускаемая компанией Analog Devices, особенности которой были рассмотрены в третьей части статьи. Формирование внутренних тактовых сигналов осуществляется с помощью системы
Вход внешнего тактового сигнала
Канал А -
Канал С -
MGT[1]
LVTTL[1]
Блок мониторинга
ППЗУ EEPROM
Блок синхронизации
Вход
внешнего ....................._
сигнала ^
управления
Status & Control
LVDS Clock [1]
LVDS Trigger [1]
V
CLK SYNC
АЦП EV8AQ160
LVDS Clock [1]
LVDS Clock [2x8] ,
LVDS Clock [1]
LVDS Clock [2x8] ,
1
i
О 5
Рис. 84. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC122
фазовой автоподстройки частоты PLL, которая включает в себя кроме указанной микросхемы генератор, управляемый напряжением VCO (CRO2500A-LF), и петлевой фильтр. Для выбора необходимого сигнала синхронизации (внешнего или внутреннего) используются два радиочастотных коммутатора (ADG918). Переключение этих коммутаторов осуществляется с помощью сигналов, вырабатываемых блоком управления.
Блок управления обеспечивает возможность установки требуемых параметров функционирования основных компонентов модуля расширения FMC122 с помощью интерфейса I2C. Структурная схема, поясняющая подключение компонентов рассматриваемого модуля аналого-цифрового преобразования сигналов к интерфейсной шине I2C, показана на рис. 86.
Управление режимами функционирования микросхемы AD9517 и аЦп EV8AQ160 осуществляется через интерфейсный мост I2C-SPI, для реализации которого использована микросхема SC18IS602B компании NXP Semiconductors. Формирование отдельных управляющих сигналов из команд последовательного интерфейса SPI производится ПЛИС с архитектурой CPLD. Функциональная схема устройства управления, реализуемого на базе этого кристалла программируемой логики, приведена на рис. 87.
Блок мониторинга предназначен для измерения значений питающих напряжений и температуры рассматриваемого модуля цифро-аналогового преобразования сигналов. Этот блок реализован на базе микросхемы ADT7411, выпускаемой компанией Analog Devices. Для выполнения функций элемента энергонезависимой памяти информационной емко-
Генератор, управляемый напряжением 2,5 ГГц
Аттенюатор Петлевой фильтр
1
рч-
коммугатор
ш
CLKJ
+
DIVIDER AND MUXs
SERIAL CONTROL PORT AND DIGITAL LOGIC
AD9517-3
Выход сигнала синхронизации
> Clk out
Рис. 85. Структурная схема блока синхронизации модуля расширения FMC122
Рис. 86. Конфигурация интерфейса I2C в составе модуля расширения FMC122
SPI
SCLK
CPLD_N_CS MOSI
MISO
FMC_TO_CPLD(3) NJNT
Рис. 87. Функциональная схема устройства управления, реализуемого на базе ПЛИС с архитектурой CPLD модуля РМС122
стью 2 кбит применяется микросхема ППЗУ EEPROM 24LC02B.
Более подробная информация о технических характеристиках, особенностях прак-
тического использования и выпускаемых вариантах модуля аналого-цифрового преобразования сигналов БМС122 содержится в [69, 70].
Функциональные возможности и архитектура модуля расширения FMC125 компании 4DSP
Модуль расширения FMC125 является сверхскоростным 4-канальным АЦП, который предназначен для использования в составе высокопроизводительных систем цифровой обработки сигналов. Большинство функциональных возможностей модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC122, которые были перечислены в предыдущем разделе, поддерживается также и модулем FMC125. Наиболее существенными отличиями модуля расширения FMC125 по сравнению с модулем FMC122 являются:
• Программный выбор одного из трех возможных режимов функционирования, которые различаются количеством используемых каналов АЦП и максимальным значением частоты дискретизации.
• Возможность одновременного осуществления операций аналого-цифрового преобразования четырех входных сигналов, выполняемого с частотой до 1250 Мвыборок/с при 8-разрядном разрешении.
• Поддержка двухканального режима функционирования, обеспечивающего преобразование двух входных аналоговых сигналов в цифровую форму со скоростью 2500 Мвыборок/с и 8-разрядным разрешением.
• Предельное значение частоты дискретизации 5000 Мвыборок/с, достижимое при использовании одноканального режима работы АЦП.
• Полное соответствие электрических и механических параметров модуля спецификации стандарта FMC HPC (ANSI/VITA 57.1).
Вход внешнего тактового сигнала
Вход внешнего сигнала управления
MGT [4]
LVTTL[4]
Блок мониторинга
Блок синхронизации
<н>
Канал А ■
Канал В
ППЗУ EEPROM
Status & Control LVDS Sync [1]
LVDS Clock [1]
LVDS Trigger [1]
5Z
CLK
АЦП EV8AQ160
LVDS Overrange [4]
LVDS Clock [1]
LVDS Data [2x8]
LVDS Clock [1]
LVDS Data [2x8]
LVDS Clock [1]
LVDS Data [2x8]
LVDS Clock [1]
LVDS Data [2x8]
о CO
X
о
» 8 i » 9- с г ¿ Е
= со е
is =
Рис. 89. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC125
Основные динамические характеристики модуля аналого-цифрового преобразования БМС125 для частоты дискретизации
1250 Мвыборок/с совпадают с графиками зависимостей эффективного числа разрядов ENOB, отношения сигнал/шум (SNR)
и динамического диапазона, свободного от гармоник паразитных выбросов (SFDR), от частоты входного сигнала, которые представлены на рис. 81 и 82 для модуля FMC122. Совпадение характеристик указанных модулей расширения объясняется использованием однотипных микросхем АЦП.
Конструкция модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC125 показана на рис. 88.
Особенности архитектуры этого модуля расширения демонстрирует структурная схема, приведенная на рис. 89. В состав этой схемы входят те же основные функциональные блоки, что представлены в архитектуре модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC122. Основные отличия проявляются в способе реализации аналого-цифрового преобразователя и блока управления. В микросхеме EV8AQ160 модуля расширения FMC125 задействованы все четыре канала аналого-цифрового преобразования сигналов.
Еще одним отличием модуля аналого-цифрового преобразования FMC125 от модуля расширения FMC122 является применение разъема FMC HPC, соответствующего спецификации стандарта ANSI/VITA 57.1, который открывает доступ к максимальному количеству высокоскоростных последовательных приемопередатчиков RocketIO и пользовательских выводов кристаллов программируемой логики, входящих в состав совместно используемых отладочных плат.
Более подробная информация об основных технических характеристиках, архитектуре, режимах эксплуатации и вариантах исполнения модуля FMC125 содержится в [70, 71]. ■
Примечание. Полный список литературы смотрите в предыдущих частях статьи.
Окончание следует
Литература
67. Xilinx Spartan-6 FPGA LX75T Development Kit User Guide. Avnet, Inc., 2011.
68. FMC107 Data Sheet. 4DSP LLC, 2010.
69. FMC122 Data Sheet. 4DSP LLC, 2011.
70. FMC12x User Manual. 4DSP LLC, 2011.
71. FMC125 Data Sheet. 4DSP LLC, 2011.
