О цифровой Delta-Sigma, FM-модуляторе на FPGA и пр.

[Kabron]

То, что АЦП может быть реализован без специализированных узлов, известно давно. Это особенно важно для микроконтроллеров и FPGA не оснащенных оными. Ребята из Parallax достигли в этом небывалых успехов, умудрившись оцифровать подручными средствами NTSC видеосигнал.
http://www.parallaxsemiconductor.com/an008
http://forums.parallax.com/showthrea...highlight=NTSC
Также, в сети достаточно полутеоретической информации о реализации этого подхода на FPGA, например:http://www.colognechip.com/asic/ip-c...tion_socip.pdf или
http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1278518
Упомянутый в последней ссылке Stellamar даже продает кит для этих дел.

Однако, ни одного описания доступной для повторения законченной конструкции АЦП на FPGA(типа как у Parallax'a), в сети нет.

Да, собсно, че там такого? Модулятор на триггере и фильтр с дециматором. Вот тут то и собака зарыта. Если с модулятором все более менее ясно, то с фильтрами и дециматорами все ох как запущено в глухую математическую мань.
Т.е. я не встретил простого и на пальцах объяснения, как из однобитного потока данных получается N-разрядный двоичный код.

Пришлось делать самому. Как всегда, сначала Протеус.

Схема 1. МоДем. Как видно все работает в точном соответствии с многочисленными теориями.
Примитив VSWITCH добавлен для удобства поиграть с пороговыми свойствами логического элемента, а так можно и прямо на вход триггера, только обратную связь переключить на -Q.
По сути дела сигнал преобразуется в 1-битный ШИМ и восстанавливается обратно ФНЧ. Осталось преобразовать его в N-разрядный.

Схема 2. Децимация.
Интересна история происхождения термина:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%C4%E5%...E7%E0%ED%E8%E5)

Из того что написано про децимацию и фильтрацию, я ничего не понял, но руководствуясь здравым смыслом, нужно просто вычислить коэффициент заполнения 1-битного потока, т.е. его скважность.
Итак, Формирователь периода образует счетный интервал. По фронту счетного интервала обнуляется измеритель скважности, а по его спаду данные с выхода измерителя запоминаются в защелке. Сам измеритель работает просто:
*SCRIPT PROGRAM PWMeter

PIN Clk, Res, D, Q[0..7]
INT C1
INT C

IF (Clk = POSEDGE) OR (Res = POSEDGE)
IF Res = 1
Q = 0
C1 = 0
C = 0
ELSE
IF D C1 = C1 + 1
C = C + 1
Q = (256*C1)/C
ENDIF
ENDIF

*ENDSCRIPT

Т.е. С1 считает только во время единичного значения на D, а С считает весь период. Далее подгоняем под нашу в данном случае 8-битную шкалу.

В результате, имеем весьма предсказуемые значения: в середине диапазона 7Fh - половина шкалы. Динамический диапазон F9h-05h = 244d.


Продолжение следует...

[Kabron]

Продолжаем представленье...
От теории к практике.
Надо все это реализовать в ПЛИСе. Поскольку я большой поклонник проекта Marsohod(marsohod.ru), у меня под рукой оказалась марсоходоподобная платка: (http://www.wvshare.com/column/ALTERA...htm#OpenEP3C16)
на ней и будет продолжение, хотя не вижу препятствий для любых других ПЛИС. По окончании сего многотруда попробую для MAX II и Cyclone IV.

Схема 3.
Не пугайтесь, она не такая сложная. Думал сначала выкладывать по частям, но как то не получается поделить.
Mypll2 плл-ный синтезатор частот из набора Мегафункций Квартуса. Честно выдран из проекта Марсоход. Настраивается интуитивно. На входе 50МГц(у марсохода 100), на выходе 5 - для АЦП, 50 для дециматора и пр. и 450 МГц - об этом позже.
Первый триггер - модулятор на его вход через резистор 20к подается сигнал. Выход через 20к соединен со входом. И со входа на землю 330pF. Второй триггер для поиграться с восстановлением оцифрованного сигнала. Те же 20к и 330пик на землю с прямого выхода. Третий триггер - формирователь измерительного интервала, в общем все как на схеме2. Выходной 8-битный код получается после защелки на шине number[7..0]. Дополнительные элементы:
sel4 - дешифратор 16-бит в 4х7 сегментов LED и LED[3..0]. Это из комплекта прибамбасов прилагаемых к киту. Чисто для цветомузыки и проверить диапазон преобразования. DAC8 дельта-сигма ЦАП единственная вразумительная Delta-Sigma конструкция, найденная в сети. Разработка Xilinx( http://www.xilinx.com/support/docume...es/xapp154.pdf) подогнанная под Альтеру. Вставлен для окончательной проверки чИстоты преобразования. На выход тоже цепочка из 20к и 330пик, можно и без пик, емкости осциллографа достаточно.

Последний тоже необязательный но на мой взгляд вкусный элемент DDS21.
Тут нужно лирически отстпупить. Изучая сайт марсохода, набрел на проект FM-передатчика на ПЛИС, переделанный из такого же проекта для Raspberry Pi. http://www.marsohod.org/index.php/pr...d2/246-fmradio
Идея понравилась, и захотелось прицепить к своему проекту. А вот реализация подверглась сильной внутренней критике:
1. Для меня слишком сложный и корявый способ реализации частотной модуляции с помощью переменного счетчика.
2. Способ подачи сигнала ИМХО сработал только у автора. Ибо, у каждого терминального эмулятора свой интервал между символами(не битами в байте), поэтому о стабильном потоке 230400 бод речи быть не может, что и подтвердилось на практике. Да и не понятно как автор смог использовать для этого TeraTerm, ведь у него нет такой скорости. Единственный инвариантный способ посылки такого потока данных ИМХО консольный copy file.wav COM1: Но проверять уже было лень.
Поэтому для FM-модулятора я использовал добрый и старый DDS своей конструкции. Почему своей? Потому что, кроме как у себя не встречал. То что есть в сети уж очень непонятно.
Мой DDS очень прост, судите сами:

module DDS21(
input wire clk,
input wire [7:0]Fin,
output wire C0
);
reg [20:0]T0;
always @(posedge clk)
T0 ‹= T0 + 419430 + Fin;
assign C0 = T0[20];

endmodule

но функционирует на все 100.
419430 это константа для частоты 90МГц, Fin ее увеличивает в пределах 50кГц. Не совсем комильфо, надо бы симметрично, но это кто захочет без проблем сделает.
Картинки:
Квартус,
Сигнал на выходе DAC8 - желтый,
Передаваемый сигнал синус синий, на выходе приемника - желтый
Тоже треугольник
Тоже пила
Тоже меандр
Как это выглядит

Вот собсно и все. Можно слать комменты.

[akegor]

Kabron, Спасибо за интересную тему.

[ForcePoint]

И кое-что с просторов тырнета:
Simple Sigma-Delta ADC (FPGA + LVDS receiver) - http://www.latticesemi.com/~/media/Documents/ReferenceDesigns/SimpleSigmaDeltaADCDocumentation.ashx
FPGA based sigma –Delta analogue to digital converter design - http://www.ijecse.org/wp-content/uploads/2012/03/Volume-1Number-2PP-508-513.pdf

[Kabron]

И кое-что с просторов тырнета:
Simple Sigma-Delta ADC (FPGA + LVDS receiver) - http://www.latticesemi.com/~/media/Documents/ReferenceDesigns/SimpleSigmaDeltaADCDocumentation.ashx
FPGA based sigma –Delta analogue to digital converter design - http://www.ijecse.org/wp-content/uploads/2012/03/Volume-1Number-2PP-508-513.pdf

Вот это как раз в подтверждение моих слов:

Однако, ни одного описания доступной для повторения законченной конструкции АЦП на FPGA(типа как у Parallax'a), в сети нет.

Все это виделось и не раз.

[кустомер]

А мне нравится 1107ПВ2...

[akegor]

А мне нравится 1107ПВ2...

Так это ж, кому - поп, кому - попадья, а мне - попова дочка...

[кустомер]

"Молодой ишшо!" (с)
А серьезно, - на 2 кГц таааак завалено? неее, видеосигнал этим не оцифруешь. Я думаю что это все-таки изврат... к чему, если существует куча чипов нормальных АЦП?

Хотя, с другой стороны, я и сам люблю поизвращаться)))) Чел достиг результата! И это уже само по себе - гуд!

[Kabron]

"Молодой ишшо!" (с)
А серьезно, - на 2 кГц таааак завалено? неее, видеосигнал этим не оцифруешь. Я думаю что это все-таки изврат... к чему, если существует куча чипов нормальных АЦП?

Хотя, с другой стороны, я и сам люблю поизвращаться)))) Чел достиг результата! И это уже само по себе - гуд!

Я в своем примере не "выжимал" и не вылизывал. Завалено после всего тракта АЦП - передатчик - приемник. Видео (причем с цветом) цифруется на 80МГц. Ссылка дадена. Там тоже все с иллюстрациями.

ЗЫ. Я тоже пишу для тех кому не пох...

[кустомер]

Если я правильно понял, Вы на измерительном промежутке подсчитываете количество импульсов получившейся ШИМ?
А можно подсчитывать длительность каждого импульса. Тогда скорость преобразования повысится в 256 раз.
Но счетчик на такое нужен очень быстрый.