Разработка сигма-дельта модулятора для системы сбора данных

РАЗРАБОТКА СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРА ДЛЯ СИСТЕМЫ СБОРА

ДАННЫХ Архипов В.В.

Архипов Владислав Валерьевич — аспирант, институт микроприборов и систем управления им. Л.Н. Преснухина Национальный исследовательский университет Московский институт электронной техники, г. Москва

Аннотация: предложен вариант разработки сигма-дельта модулятора. Работоспособность устройства подтверждена результатами схемотехнического моделирования и на существующей микросхеме.

Ключевые слова: сигма-дельта аналоговый преобразователь, CIC-фильтр, специализированный ФНЧ.

Разработка сигма-дельта модулятора, преобразующий аналоговый сигнал в высокочастотный дискретный сигнал, который далее фильтрацией преобразуется в многоразрядный код. Основные требования, для которых производился расчет сигма-дельта модулятора:

- тактовая частота - 1 МГц;

- разрядность выходных данных - 18 бит;

- скорость выходных данных - от 0,244 до 7,812 кб/с;

- полоса пропускания от 0,1 до 976,5 Гц (при 18 битной точности), от 0,1 до 1953 Гц (при 12 битной точности).

Сигма-дельта модулятор включает в себя интегратор с программируемым коэффициентом передачи входного сигнала (усиление АЦП), автоматической компенсацией смещения нуля и шумов в полосе пропускания. Для компенсации смещения и шумов, в полосе пропускания, использована техника двойного коррелированной выборки CDS.

Интегратор с программируемым коэффициентом передачи входного сигнала, построен по классической архитектуре компаратора, управляющего ключами однобитного ЦАП. Сигнал с выхода компаратора поступает на фильтр-дециматор.

Описание системы фильтрации для сигма-дельта аналогово-цифрового преобразователя

Блок системы фильтрации для сигма-дельта АЦП выполняет фильтрацию с настраиваемой децимацией.

Блок системы фильтрации включает:

- CIC-фильтр с настраиваемой децимацией;

- фильтр-компенсатор;

- специализированный ФНЧ;

- мультиплексор;

- блок стробирования синхросигналов.

Структурная схема блока системы фильтрации приведена на рисунке 1.

Г

Рис. 1. Структурная схема системы фильтров

С1С-фильтр служит для децимации и подавления расчётных шумов квантования сигма-дельта модулятора из двух каскадов.

Фильтр-компенсатор служит для компенсации нелинейных искажений CIC-фильтра и выполняет дополнительное подавление частот вне полосы пропускания.

Специализированный ФНЧ служит для повышенного подавления сигналов вне полосы. Полоса подавления выбрана таким образом, чтобы при децимации равной 16384, в полосу подавления попадала частота 50 Гц.

Мультиплексор позволяет выбирать выходные данные с выхода CIC-фильтра, выхода фильтра-компенсатора или выхода специализированного ФНЧ.

Блок стробирования синхросигналов обеспечивает отключение синхросигнала для неиспользуемых блоков.

Тестирование блока системы фильтров в режимах работы

Тестовые воздействия служат для установления соответствия между аппаратно-ориентированной моделью и описанием на VHDL в различных режимах работы блока системы фильтров.

Для корректной работы блока системы фильтров разработана методика проверки работы в различных режимах. Проверка заключается в запуске специализированных тестовых воздействий и контроле результатов.

Каждое тестовое воздействие загружает входные данные из файла и подаёт на вход блока системы фильтров. Далее, тестовое воздействие выбирает проверочные данные из файла и сравнивает их с выходными из блока системы фильтров [1]. По результатам сравнения тестовое воздействие выдаёт строки, содержащие информацию о числе проверенных данных, количестве ошибок и итоговом результате в консоль системы моделирования «ModelSim».

Входными данными является нетривиальная последовательность данных, полученная с выхода БтиНпк-модели модулятора. Данные представляют собой сигма-дельта модулированную гармонику фиксированной частоты и амплитуды.

Проверочными данными являются результаты обработки аппаратно-ориентированной Matlab-моделью входных данных.

Тест считается успешно пройденным, если на заданном временном интервале наблюдалась полная идентичность (с точностью до бита) результирующих отсчётов VHDL и результатов модели [2].

Для выполнения каждой проверки необходимо запустить на моделирование в системе «ModelSim» тестовое воздействие на интервале не менее 525 мс.

При успешном выполнении проверки в консоли «ModelSim» выводится текст «Testsuccessfullypassed!». При наличии хотя бы одной ошибки, выводится текст «Testfailed!».

С1С-фильтр включает:

— блок интеграции;

— блока понижения частоты в 1024 раз;

— трех блоков вычитания.

Все арифметические операции в блоке С1С-фильтра выполняются параллельно.

Структурная схема С1С-фильтра приведена на рисунке 2. Основные параметры С1С-фильтра приведены на таблице 1.

Рис. 2. Структурная схема С1С-фильтра

Наименование параметра,единица измерения (режим измерения) Значение параметра

Частота дискретизации, МГц 2

128

256

512

Децимация* 1024

2048

4096

8192

16384

Выходная частота дискретизации, Гц** режим MODE = 1

Граница полосы пропускания** режим MODE = 1

Подавление, дБ 27

Дифференциальная задержка 1

*Настраиваемая. **Зависит от децимации

Список литературы

1. Гуров И.П. Основы теории информации и передачи сигналов. СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 2000. 97 с.: ил.

2. Зотов Ю.В. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Х1КГЫХ в САПР WebPack КЕ. М.: Горячая линия-Телеком, 2003. 624 с.