基于FPGA的高速AD转换

摘要：在雷达设计中，需要对接收到的信号首先进行模数转换，其转换速度和准确性直接决定了之后FFT等运算的准确性，最终影响雷达测量精度。介绍了一种基于FPGA，利用芯片ADS7890实现一种快速14位串行AD转换，对系统的软件和硬件做了说明。硬件部分主要为ADS7890的基本外围电路以及芯片EP2C35F672C与其的控制连接，软件部分利用Quartus II 8．0编程。
关键词：FPGA；雷达；AD转换；ADS7890

    当前实时测距技术有超声波测距、激光测距、雷达测距等。在原理上以上几种测距方式类似，但毫米波雷达测距克服了其他几种探测方式在运用中的一些缺点。毫米波雷达有稳定的探测性能，与光学相比，它不易受对象物表面形状和颜色的影响，而与超声波、红外线相比，它不受大气紊流的影响，且受雨、雾、雪、阳光、灰尘等的干扰小。雷达接收到的信号为一调频连续波信号，而随着数字化的发展，在检测、控制等领域，越来越多的模拟信号需要转换成数字信号进行处理。AD转换即是将输入的模拟信号以二进制数字输出的过程，根据香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ω，只要按照采样频率ωs≥2ωmax进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)、f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。其主要包括采样、保持、量化和编程4个过程。
    对应特定的应用，AD转换要求不同，在高频雷达设计中，要求AD转换有较高的转换速度，才能实时测距；而最终雷达测距的精度，与AD转换、FFT的位数有直接关系。一些自带AD的单片机不仅数据处理速度慢，且AD位数也达不到要求，故本设计采用基于FPGA平台，利用ADS78 90实现快速、高精度的模数转换。

1 系统硬件电路
    系统主要总体结构如图1所示。

    该系统采用ALTERA公司的芯片EP2C35F672C6为控制核心，对ADS7890进行控制及转换结果数据处理。雷达测距可采用雷达IVS-167，它是Innosent公司推出的一款IVS(Innosent VCO stereo)系列的K-波段带VCO的雷达收发器。由于采用平面微带天线结构，且收发天线合一，使得其外形十分小巧，在工作中不仅节能省电，而且非常易于集成于各种电路，也易于在安装环境中构建模块保护设施。
    在本设计中，以雷达接收信号为模拟信号输入，通过功放电路使输入信号达到AD转换芯片要求，再利用FPGA产生时序控制ADS7890串行发送数字信号的开始、结束，并对接收到的数据处理后通过led显示结果。
1．1 芯片ADS7890
    ADS7890是一种高位快速AD转换芯片，包含2．5 V内部参考电压的模拟14位串行AD转换器，其最高采样率为1．25 MSPS，具有48个引脚，可作为SPI或DSP接口。芯片中含省电设备，当转换速度较低时进入省电模式。芯片可应用于光电传感器、电机电流／电压传感器、医疗检测仪器、高速数据采集系统等。
    ADS7890的基本外围电路如图2所示。模拟地与数字地分开。、SDO 5个引脚与控制芯片相连。

1．2 FPGA简介
    FPGA(现场可编程门阵列)作为可编程逻辑器件，是在PAL等逻辑器件的基础上发展而来，其规模比较大，可以代替几百块通用IC芯片。它的结构主要由3部分组成：一个二维的逻辑块阵列，构成了其逻辑组成核心；输入／输出块；连接逻辑块的互连资源。随着超大规模集成电路工艺的不断提高，FPGA的规模也越来越大，它的单片逻辑门数已可达上百万门，功能也不断增强。用户可以在其基础上简单快捷的完成设计。本设计采用芯片EP2C35F672C6。
    使用FPGA设计数字系统电路主要有如下特点：
    1)设计灵活FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。
    2)集成度高 一片FPGA可代替几片、几十片乃至上百片中小规模的数字集成电路芯片。
    3)工作速度快FPGA的设计思想是并行的设计思想，而不是顺序执行的软件思想，这样在设计上就大大提高了系统的工作速度。
    4)降低成本 随着FPGA的工艺发展，FPGA已经克服自身价位高的缺点，具有较高的性价比。

2 系统软件设计
    FPGA的基本控制时序图如图3所示。FS位为数据帧格式调节，其为高时为SPI模式，置低时为DSP模式，此设计用于SPI，将FS置高。CS下降沿触发ADS7890发送数据，在SCLK上升沿发送一位数据，14个脉冲对应AD转换的14位结果，之后用1、2个SCLK周期作为延时，以保证AD结果正确性。设置一位BUSY作为忙标志，置高后不接受数据。设置一复位位RESRT。SDO为数据传输位。

    编程设计采用VHDL语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。一个完整的VHDL语言程序通常含有5个部分：实体(Entity)、结构体(ArcbAtecture)、配置(Configuration)、程序包(Package)和库(Library)。
    源程序中的结构体定义如下。注意ADS7890的输入对应的是EP2C35F672C6的输出。
   
   

3 结论
    随着数字化的发展，AD转换在各个领域得到了充分的应用，而对其的要求也越来越高。本设计采用高集成度的FPGA为硬件平台，实现对高分辨率模数转换芯片ADS7890的控制应用，经实际检验具有较高转换精度，对快速变化的输入信号具有反应灵敏，系统测试准确、稳定可靠。