Инструментальные средства отладки устройств цифровой обработки сигналов, проектируемых на основе ПЛИС FPGA фирмы Xilinx серий Virtex-6 и Spartan-6. Часть 9

Компания Curtiss-Wright Controls Embedded Computing производит широкий спектр инструментальных модулей для различных областей применения, в том числе и для реализации высокоскоростных устройств и систем ЦОС. Для этих целей она предлагает аппаратные решения как на основе специализированных сигнальных процессоров, так и на базе кристаллов программируемой логики с архитектурой FPGA. Кроме того, компания Curtiss-Wright Controls Embedded Computing выпускает модули расширения, выполняющие разнообразные функции, в частности, операции преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и цифровых сигналов к аналоговому виду. Эти модули имеют различный интерфейс и конструктивное исполнение. Далее рассматриваются только модули АЦП и ЦАП, интерфейс и конструктивное исполнение которых соответствует спецификации стандарта FMC (ANSI/VITA 57.1). Для оцифровки входных аналоговых сигналов с высокой частотой дискретизации компания Curtiss-Wright Controls Embedded Computing предлагает несколько вариантов 2- и 4-канальных модулей АЦП.

Основные параметры 2-канальных модулей АЦП

Линейка 2-канальных модулей аналого-цифрового преобразования сигналов, производимых компанией Curtiss-Wright Controls Embedded Computing в соответствии со спецификацией стандарта FMC, включает в себя три варианта: ADC510, ADC511 и ADC512. Модули расширения ADC510 и ADC511 представляют собой высокоскоростные 2-канальные преобразователи аналоговых сигналов в цифровую форму, которые выпускаются в одинаковом конструктивном исполнении, но отличаются разрешением и частотой преобразования.

Модуль расширения ADC510 обеспечивает возможность одновременного аналого-цифрового преобразования двух входных сигналов, осуществляемого с максимальной частотой дискретизации, достигающей 550 Мвыборок/с при 12-разрядном разрешении. Максимальный размах амплитуды входных аналоговых сигналов, соответствующий полномасштабному диапазону АЦП, достигает 2 В. При этом значение входного сопротивления аналоговых блоков этого модуля равно 50 Ом, а входная полоса пропускания по уровню 3 дБ превышает 1,7 ГГц. Значение эффективной разрядности модуля расширения ADC510 ENOB на частоте 250 МГц при максимальной скорости преобразования составляет 10,1 бит, отношения сигнал/шум (SNR) — 65 дБ FS, динамического диапазона, свободного от гармоник паразитных выбросов (SFDR), — 73 дБc. Система формирования тактовых сигналов этого модуля позволяет применять в качестве исходного как внутренний, так и внешний сигнал синхронизации. Выходные сигналы данных, формируемые АЦП, соответствуют дифференциальному стандарту ввода/вывода LVDS.

Структурное представление архитектуры модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC510 показано на рис. 90.

Рис. 90. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC510

В состав архитектуры этого модуля расширения входят следующие основные функциональные блоки:

• два блока аналого-цифрового преобразования сигналов;
• генератор внутреннего сигнала синхронизации;
• схема выбора тактового сигнала.

Каждый блок аналого-цифрового преобразования сигналов реализован на базе микросхемы ADS5463/ADS54RF63, выпускаемой компанией Texas Instruments (TI). Эта микросхема содержит АЦП с конвейерной архитектурой, отличающийся оптимальным сочетанием высокой производительности, точности преобразования и низким уровнем потребляемой мощности. На входах каждого блока аналого-цифрового преобразования сигналов установлены симметрирующие трансформаторы с согласованием импеданса Balun (Balanced/Unbalanced), обеспечивающие возможность сопряжения сбалансированных линий с несбалансированными. Схема выбора тактового сигнала предназначена для коммутации требуемого источника сигнала синхронизации — внутреннего генератора или разъема на фронтальной панели модуля, предназначенного для подключения внешнего тактового сигнала.

Модуль расширения ADC511 позволяет выполнять операции одновременного аналого-цифрового преобразования двух входных сигналов с максимальной частотой дискретизации, достигающей 400 Мвыборок/с, с 14-разрядным разрешением. Значение ширины входной аналоговой полосы пропускания этого модуля превосходит 1,2 ГГц. При этом значение эффективной разрядности АЦП ENOB на частоте 230 МГц для максимальной скорости преобразования равняется 10,9 бит. Отношение сигнал/шум (SNR) на указанной частоте при максимальном значении частоты дискретизации составляет 69,8 дБ FS, а динамический диапазон, свободный от гармоник паразитных выбросов (SFDR), достигает 80 дБc.

Архитектура модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC511 предусматривает поддержку совместного использования нескольких модулей расширения, тактируемых единой системой формирования сигналов синхронизации. Обобщенная структурная схема этого модуля АЦП изображена на рис. 91. В ее составе представлены те же основные функциональные блоки, что и в архитектуре модуля расширения ADC510. Основные отличия проявляются только в типе компонентов, применяемых для реализации этих блоков. Блоки аналого-цифрового преобразования сигналов модуля расширения ADC511 выполнены на базе микросхемы ADS5474 компании TI: параметры этой микросхемы в значительной степени определяют высокие характеристики рассматриваемого модуля.

Рис. 91. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC511

Внешний вид модулей аналого-цифрового преобразования сигналов ADC510 и ADC511 показан на рис. 92.

Рис. 92. Внешний вид модулей аналого-цифрового преобразования сигналов ADC510 и ADC511

Модуль расширения ADC512 является сверхскоростным 2-канальным 8-разрядным аналого-цифровым преобразователем сигналов с максимальной частотой дискретизации 3000 Мвыборок/с. Этот модуль отличается значительной шириной входной аналоговой полосы пропускания, которая превышает 2,25 ГГц. В ADC512 также предусмотрена поддержка синхронизации нескольких модулей аналого-цифрового преобразования сигналов, используемых в составе многоканальных разрабатываемых систем. Основу архитектуры этого модуля образуют два АЦП, реализованные на базе микросхем ADC083000, выпускаемых компанией National Semiconductor. Применение оригинальных архитектурных решений в этих микросхемах позволило добиться высокой равномерности всех динамических характеристик, а также обеспечить значение эффективного числа разрядов ENOB, равное 7 бит, и отношение сигнал/шум (SNR) 44,5 дБ FS на частоте 748 МГц при максимальной скорости дискретизации. Результаты аналого-цифрового преобразования входных сигналов передаются через разъем FMC в кристалл программируемой логики основной отладочной платы в соответствии с дифференциальным интерфейсом ввода/вывода LVDS со стандартной (SDR) или удвоенной скоростью передачи данных (DDR).

Наглядное представление архитектуры модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC512 демонстрирует структурная схема, приведенная на рис. 93.

Рис. 93. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC512

Конструктивное исполнение этого модуля расширения показано на рис. 94.

Рис. 94. Конструктивное исполнение модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC512

Основные характеристики 4-канальных модулей АЦП

В состав линейки 4-канальных модулей аналого-цифрового преобразования сигналов компании Curtiss-Wright Controls Embedded Computing, соответствующих спецификации стандарта FMC, тоже входят три варианта: ADC513, FMC-516 и FMC-518.

Модуль расширения ADC513 предназначен для одновременного выполнения операций аналого-цифрового преобразования четырех входных сигналов, производимого со скоростью до 1500 Мвыборок/с при 8-разрядном разрешении. Этот модуль отличается расширенной аналоговой входной полосой пропускания, превышающей 2 ГГц. Обобщенная структурная схема ADC513 приведена на рис. 95. Основными функциональными блоками представленной схемы являются два двухканальных АЦП, каждый из которых реализован в виде микросхемы ADC08D1520 компании National Semiconductor. Значение эффективной разрядности этих АЦП ENOB на частоте 748 МГц при максимальной скорости преобразования 1500 Мвыборок/с составляет 7,4 бит, отношение сигнал/шум (SNR) — 47 дБ FS, а динамический диапазон, свободный от гармоник паразитных выбросов (SFDR), — 55 дБc.

Рис. 95. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC513

Внешний вид модуля ADC513 представлен на рис. 96.

Рис. 96. Внешний вид модуля аналого-цифрового преобразования сигналов ADC513

Модуль расширения FMC-516 поддерживает одновременное выполнение операций преобразования четырех входных аналоговых сигналов в цифровую форму, производимого со скоростью от 40 до 250 Мвыборок/с при 16-разрядном разрешении. Этот модуль характеризуется широкой аналоговой входной полосой пропускания, достигающей 700 МГц по уровню 3 дБ. При этом максимальный размах амплитуды входных аналоговых сигналов, соответствующий полномасштабному диапазону АЦП, составляет 2 В, а значение входного импеданса аналоговых блоков модуля FMC-516 — 50 Ом. Микросхемы АЦП, применяемые в составе модуля FMC-516, обеспечивают типовое значение эффективной разрядности ENOB 11,6 бит, отношения сигнал/шум (SNR) 72,1 дБ FS и динамического диапазона, свободного от гармоник паразитных выбросов (SFDR), — 81 дБc на частоте 363 МГц при максимальном значении частоты дискретизации. Структурное представление архитектуры этого модуля аналого-цифрового преобразования сигналов изображено рис. 97.

Рис. 97. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC-516

Основные функциональные блоки архитектуры модуля расширения FMC-516:

• четыре блока аналого-цифрового преобразования сигналов;
• генератор внутреннего сигнала синхронизации;
• программируемая схема формирования тактовых сигналов.

Для реализации каждого блока аналого-цифрового преобразования сигналов применяется микросхема ISLA216P25, выпускаемая компанией Intersil Corporation. Эта микросхема содержит АЦП, отличающийся сочетанием высокой производительности и разрешения с низким уровнем энергопотребления. Применение технологии FemtoCharge, разработанной компанией Intersil Corporation, позволило существенно уменьшить потребляемую мощность и тепловыделение указанных аналого-цифровых преобразователей по сравнению с однотипными микросхемами других производителей. Программируемая схема формирования тактовых сигналов выполнена на основе микросхемы Si571 фирмы Silicon Labs. Эта схема обеспечивает формирование внутренних сигналов синхронизации с частотой от 40 до 250 МГц, которые характеризуются высокой точностью установки требуемой частоты и низким значением джиттера. При этом в качестве исходного может использоваться сигнал внутреннего генератора или внешний сигнал с частотой 10 МГц, поступающий через соответствующий разъем, расположенный на фронтальной панели рассматриваемого модуля аналого-цифрового преобразования сигналов.

Модуль расширения FMC-518 представляет собой 4-канальный АЦП, который позволяет выполнять операции аналого-цифрового преобразования сигналов с частотой дискретизации от 80 до 500 Мвыборок/с с 14-разрядным разрешением. Основные входные характеристики этого модуля (размах амплитуды входных аналоговых сигналов, соответствующий полномасштабному диапазону АЦП, входное сопротивление и ширина аналоговой входной полосы пропускания) совпадают с соответствующими параметрами модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC-516. Компоненты модуля FMC-518 позволяют достигать типового значения эффективной разрядности ENOB 11,2 бит, отношения сигнал/шум (SNR) 70,6 дБ FS и динамического диапазона, свободного от гармоник паразитных выбросов (SFDR), — 76 дБc на частоте 363 МГц при максимальной скорости преобразования 500 Мвыборок/с. Архитектура модулей расширения FMC-518 и FMC-516 различается только типом микросхем, используемых для реализации блоков аналого-цифрового преобразования сигналов. В модуле FMC-518 каждый из этих блоков выполнен на базе микросхемы ISLA214P50 компании Intersil Corporation (рис. 98).

Рис. 98. Структурная схема модуля аналого-цифрового преобразования сигналов FMC-518

Конструктивное исполнение модулей расширения FMC-516  и FMC-518 практически совпадает с конструкцией модуля ADC513 (рис. 96).

Основные параметры модуля ЦАП FMC-520

Ко времени подготовки статьи компания Curtiss-Wright Controls Embedded Computing предлагала единственный вариант цифро-аналогового преобразователя сигналов, соответствующий спецификации стандарта FMC, — 4-канальный модуль FMC-520. Этот модуль расширения предоставляет возможность одновременного преобразования четырех входных цифровых сигналов в аналоговую форму, осуществляемого с частотой воспроизведения до 500 Мвыборок/с при 16-разрядном разрешении. Кроме того, модуль расширения FMC-520 поддерживает одновременное выполнение операций цифро-аналогового преобразователя двух входных сигналов с частотой воспроизведения до 1000 Мвыборок/с и 16-разрядным разрешением. Использование в составе этого модуля микросхем широкополосных ЦАП обеспечивает максимальное значение ширины аналоговой выходной полосы пропускания 775 МГц. Уровни входных цифровых сигналов модуля цифро-аналогового преобразования FMC-520 соответствуют дифференциальному стандарту ввода/вывода LVDS. Система формирования тактовых сигналов этого модуля расширения предоставляет возможность выбора внутренних или внешних сигналов для синхронизации работы ЦАП. Эта система обеспечивает также поддержку режима синхронизации нескольких модулей расширения в составе проектируемой многоканальной системы ЦОС.

На рис. 99 представлена структурная схема FMC-520.

Рис. 99. Структурная схема модуля цифро-аналогового преобразования сигналов FMC-520

Эта структурная схема включает в себя следующие основные функциональные блоки:

• два двухканальных блока цифро-аналогового преобразования сигналов;
• генератор внутреннего сигнала синхронизации;
• схему выбора тактового сигнала.

Для реализации двухканальных блоков цифро-аналогового преобразования сигналов в модуле FMC-520 применяются микросхемы DAC5682Z компании TI, информация об особенностях архитектуры которых была представлена в третьей части статьи при рассмотрении модуля расширения FMC204. Схема выбора тактового сигнала осуществляет коммутацию требуемого источника сигнала синхронизации — внутреннего генератора или соответствующего разъема, установленного на фронтальной панели модуля для подключения внешнего тактового сигнала.

Конструктивное исполнение модуля цифро-аналогового преобразования сигналов FMC-520 показано на рис. 100.

Рис. 100. Конструктивное исполнение модуля цифро-аналогового преобразования сигналов FMC-520

Краткая характеристика модуля аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования сигналов компании HiTech Global, LLC

Компания HiTech Global, LLC предоставляет разработчикам высокопроизводительные инструментальные модули, ориентированные на разнообразные области применения. Для аппаратной отладки и реализации систем ЦОС с высоким быстродействием эта компания выпускает ряд модулей, выполненных на базе ПЛИС с архитектурой FPGA, в том числе на базе кристаллов программируемой логики фирмы Xilinx. В дополнение к этим платам HiTech Global, LLC предлагает модуль расширения HTG-FMC-DA-AD, который обеспечивает возможность ввода и вывода аналоговых сигналов в разрабатываемых устройствах ЦОС. Этот модуль соответствует спецификации стандарта FMC (ANSI/VITA 57.1), поэтому может также применяться совместно с отладочными платами на основе кристаллов программируемой логики фирмы Xilinx серий Virtex-6 и Spartan-6, представленных в предыдущих частях статьи.

Модуль расширения HTG-FMC-DA-AD осуществляет операции высокоскоростного преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и цифровых сигналов к аналоговому виду с высоким разрешением. Этот модуль поддерживает возможность одновременного аналого-цифрового преобразования двух входных сигналов, производимого с частотой до 170 Мвыборок/с и 16-разрядным разрешением, и цифро-аналогового преобразования двух сигналов с частотой воспроизведения, достигающей 500 Мвыборок/с при 16-разрядном разрешении. Двухканальная архитектура этого модуля расширения (рис. 101) создает предпосылки для оптимальной реализации квадратурной обработки сигналов.

Рис. 101. Структурная схема модуля расширения HTG-FMC-DA-AD

Основу архитектуры модуля расширения HTG-FMC-DA-AD составляют следующие функциональные блоки:

• два основных блока аналого-цифрового преобразования сигналов;
• основной двухканальный блок цифро-аналогового преобразования сигналов;
• блок синхронизации;
• дополнительные ЦАП/АЦП.

Функции основных блоков аналого-цифрового преобразования сигналов выполняют микросхемы ADS5484, выпускаемые компанией TI. Эти микросхемы характеризуются высокими значениями отношения сигнал/шум (SNR) — 75,7 дБ FS и динамического диапазона, свободного от гармоник паразитных выбросов (SFDR), — 86 дБc на частоте 130 МГц. Типовое значение эффективной разрядности ENOB АЦП ADS5484 на частоте 10 МГц составляет 12,3 бита.

Основной двухканальный блок цифро-аналогового преобразования сигналов реализован в виде микросхемы DAC5687 компании TI. В составе этой микросхемы предусмотрены фильтры, предназначенные для осуществления двукратной, четырехкратной или восьмикратной интерполяции преобразуемого цифрового сигнала. В качестве дополнительных 16-разрядных ЦАП используются микросхемы AD5663, выпускаемые компанией Analog Devices. Микросхема AD5663 представляет собой двухканальный ЦАП с низким уровнем потребляемой мощности.

Особенности конструктивного исполнения модуля расширения HTG-FMC-DA-AD показаны на рис. 102. Габаритные размеры печатной платы этого модуля соответствуют двойному формату, предусмотренному спецификацией стандарта FMC.

Рис. 102. Внешний вид модуля расширения HTG-FMC-DA-AD

Примечание. Список литературы смотрите в предыдущих частях статьи.