FPGA上可以用一个比较器实现ADC的功能？1

• FPGA的使用
• ADC的原理及构成
• PWM的产生
• 比较器的应用
• 数字滤波器的使用

使用的平台：

多数FPGA芯片上没有ADC的功能，而一些应用则需要用到ADC对一些模拟信号，比如直流电压等进行量化，有没有特别简单、低成本的实现方法呢？

在要求转换速率不高的情况下，完全可以借助一颗高速比较器（成本只有几毛钱）来实现对模拟信号的量化，Lattice的官网上一篇文章就介绍了如何制作一个简易的Sigma Delta ADC，如果FPGA能够提供LVDS的接口，连外部的高速比较器都可以省掉。由于我们的小脚丫FPGA核心模块在设计的时候没有考虑到LVDS的应用场景，所以还是需要搭配一个高速的比较器来实现Lattice官网上推荐的简易Sigma Delta ADC的功能。

让小脚丫FPGA通过锁相环PLL运行于120MHz的主时钟（还可以更高，提速到240MHz、360MHz都应该没有问题），测试1KHz以内的模拟信号是没有问题的。

Lattice的官网上就可以下载到简易Sigma Delta ADC的Verilog源代码，可以非常方便地用在其它品牌、其它系列的FPGA上。

下面的截图就是采用120MHz的主时钟实现的对1KHz模拟信号的采样，并通过DDS/DAC输出，口袋仪器M2000采集并显示的模拟信号波形。

M2000口袋仪器显示的1KHz的波形

工作原理

详细的工作原理介绍可以参考项目https://www.eetree.cn/project/detail/255 及项目页面中的参考资料，在这里以几幅图片来示例一下。

简易Sigma Delta ADC的工作原理

直接连接 - 被测模拟信号的幅度范围为0-3.3V

通过电阻分压网络输入，并在比较器+端提供参考电压，则被采集模拟信号的电压变化范围可以扩展

简易Sigma Delta ADC的性能与逻辑电路的工作频率

在不同的FPGA平台上消耗的逻辑资源

以下就是我们的电赛综合训练板上简易Sigma Delta ADC部分的电路连接

核心代码：

顶层调用代码：

wire [7:0] sd_adc_out; // sigma delta adc data output


wire sample_rdy;    // flag for adc conversion


ADC_top my_adc(.clk_in(clk_hs),.rstn(1'b1),.digital_out(sd_adc_out), .analog_cmp(comp_in),.analog_out(ad_pwm),.sample_rdy(sample_rdy));


assign dac_data = sd_adc_out;
assign dac_clk = clk_hs; //120MHz generated by PLL

Sigma Delta ADC顶层程序

//*********************************************************************
//
//  ADC Top Level Module
//
//*********************************************************************


module ADC_top (
  clk_in,
  rstn,
  digital_out,
  analog_cmp,  
  analog_out,
  sample_rdy);


parameter 
ADC_WIDTH = 8,              // ADC Convertor Bit Precision
ACCUM_BITS = 10,            // 2^ACCUM_BITS is decimation rate of accumulator
LPF_DEPTH_BITS = 3,         // 2^LPF_DEPTH_BITS is decimation rate of averager
INPUT_TOPOLOGY = 1;         // 0: DIRECT: Analog input directly connected to + input of comparitor
                            // 1: NETWORK:Analog input connected through R divider to - input of comp.


//input ports
input  clk_in;        // 62.5Mhz on Control Demo board
input  rstn;   
input  analog_cmp;      // from LVDS buffer or external comparitor


//output ports
output  analog_out;         // feedback to RC network
output  sample_rdy;
output [7:0] digital_out;   // connected to LED field on control demo bd.



//**********************************************************************
//
//  Internal Wire & Reg Signals
//
//**********************************************************************
wire              clk;
wire              analog_out_i;
wire              sample_rdy_i;
wire [ADC_WIDTH-1:0]      digital_out_i;
wire [ADC_WIDTH-1:0]      digital_out_abs;




assign clk = clk_in;


//***********************************************************************
//
//  SSD ADC using onboard LVDS buffer or external comparitor
//
//***********************************************************************
sigmadelta_adc #(
  .ADC_WIDTH(ADC_WIDTH),
  .ACCUM_BITS(ACCUM_BITS),
  .LPF_DEPTH_BITS(LPF_DEPTH_BITS)
  )
SSD_ADC(
  .clk(clk),
  .rstn(rstn),
  .analog_cmp(analog_cmp),
  .digital_out(digital_out_i),
  .analog_out(analog_out_i),
  .sample_rdy(sample_rdy_i)
  );


assign digital_out_abs = INPUT_TOPOLOGY ? ~digital_out_i : digital_out_i;  


//***********************************************************************
//
//  output assignments
//
//***********************************************************************


assign digital_out   = ~digital_out_abs;   // invert bits for LED display 
assign analog_out    =  analog_out_i;
assign sample_rdy    =  sample_rdy_i;


endmodule

Sigma Delta ADC主程序

//*********************************************************************
//
//  SSD Top Level Module
//
//*********************************************************************


module sigmadelta_adc (
  clk,                    
  rstn,                   
  digital_out,            
  analog_cmp,              
  analog_out,             
  sample_rdy);            


parameter 
ADC_WIDTH = 8,              // ADC Convertor Bit Precision
ACCUM_BITS = 10,            // 2^ACCUM_BITS is decimation rate of accumulator
LPF_DEPTH_BITS = 3;         // 2^LPF_DEPTH_BITS is decimation rate of averager


//input ports
input  clk;                            // sample rate clock
input  rstn;                           // async reset, asserted low
input  analog_cmp ;                    // input from LVDS buffer (comparitor)


//output ports
output  analog_out;                     // feedback to comparitor input RC circuit
output  sample_rdy;                     // digital_out is ready
output [ADC_WIDTH-1:0]  digital_out;    // digital output word of ADC


//**********************************************************************
//
//  Internal Wire & Reg Signals
//
//**********************************************************************
reg                         delta;          // captured comparitor output
reg [ACCUM_BITS-1:0]      sigma;          // running accumulator value
reg [ADC_WIDTH-1:0]          accum;          // latched accumulator value
reg [ACCUM_BITS-1:0]      counter;        // decimation counter for accumulator
reg              rollover;       // decimation counter terminal count
reg              accum_rdy;      // latched accumulator value 'ready' 


//***********************************************************************
//
//  SSD 'Analog' Input - PWM
//
//  External Comparator Generates High/Low Value
//
//***********************************************************************


always @ (posedge clk)
begin
    delta <= analog_cmp;        // capture comparitor output
end


assign analog_out = delta;      // feedback to comparitor LPF


//***********************************************************************
//
//  Accumulator Stage
//
//  Adds PWM positive pulses over accumulator period
//
//***********************************************************************


always @ (posedge clk or negedge rstn)
begin
  if( ~rstn ) 
    begin
    sigma       <= 0;
    accum       <= 0;
    accum_rdy   <= 0;
    end else begin
        if (rollover) begin
            // latch top ADC_WIDTH bits of sigma accumulator (drop LSBs)
            accum <= sigma[ACCUM_BITS-1:ACCUM_BITS-ADC_WIDTH];
            sigma <= delta;         // reset accumulator, prime with current delta value
        end else begin
            if (&sigma != 1'b1)         // if not saturated
                sigma <= sigma + delta; // accumulate 
        end
        accum_rdy <= rollover;     // latch 'rdy' (to align with accum)
    end
end


//***********************************************************************
//
//  Box filter Average
//
//  Acts as simple decimating Low-Pass Filter
//
//***********************************************************************


box_ave #(
    .ADC_WIDTH(ADC_WIDTH),
    .LPF_DEPTH_BITS(LPF_DEPTH_BITS))
box_ave (
    .clk(clk),
    .rstn(rstn),
    .sample(accum_rdy),
    .raw_data_in(accum),
    .ave_data_out(digital_out),
    .data_out_valid(sample_rdy)
);


//************************************************************************
//
// Sample Control - Accumulator Timing
//  
//************************************************************************


always @(posedge clk or negedge rstn)
begin
  if( ~rstn ) begin
    counter <= 0;
    rollover <= 0;
    end
  else begin
    counter <= counter + 1;       // running count
    rollover <= &counter;         // assert 'rollover' when counter is all 1's
    end
end
endmodule