Файл: Задача данной выпускной квалификационной работы (далее вкр) состоит в том, что необходимо настроить совместную работу платы ацпцап data Conversion hsmc и плис cyclone iv e, установленной на отладочную плату de2115.docx

Глава3. Описание микросхемы AD9254

3.1 Характеристики возможности микросхемы AD9254

Отдельного внимания заслуживает микросхема AD9254, установленная на плату Data Conversion HSMC. Как и говорилось в предыдущих разделах, она представляет собой АЦП. Остальные устройства на плате такие, как ЦАП, аудиокодек, разъемы для подключения наушников и аудиовходы, являются вспомогательным устройством. В данной ВКР нас интересует больше всего АПЦ, установленного на данную плату.

Микросхема AD9254 представляет собой АЦП с разрядностью 14 бит, частотой дискретизации 150 МГц с встроенным усилителем входного напряжения SHA и с чипом настройки опорного напряжения VREF. Данная микросхема оснащена корректирующей логикой, что позволяет принимать аналоговые сигналы без их искажения и потери информации. Микросхема AD9254 широко применяется в сфере телекоммуникаций, при обработке изображений и в ультразвуковом медицинском оборудовании [3].

Основные характеристики и возможности микросхемы:

1. 
   аналоговое питание (AVDD): 1,8В;
   
2. 
   цифровое питание (DRVDD): от 1,8В до 3,3В;
   
3. 
   отношение сигнал/шум (SNR): 71,8 дБ при частоте f_IN= 70 МГц;
   
4. 
   минимальная потребляемая мощность (Low Power): 430мВт;
   
5. 
   настройка опорного напряжения VREF;
   
6. 
   настройка входного аналогового напряжения: от 1В до 2В;
   
7. 
   установка формата выходных данных из АЦП:
   
8. 
   формат вывода данных: бинарный код, доп. бинарный код, код Грея;
   
9. 
   стабилизация тактовых импульсов по SPI-интерфейсу;
   
10. 
    вывод данных о погрешности измерений;
    
11. 
    настройка режимов работы АЦП по SPI-интерфейсу.
    

3.2 Внутреннее строение микросхемы AD9254

Структурная схема внутренних модулей микросхемы AD9254 представлена на рисунке 7 [3].



Рисунок 7 – Структурная схема внутренних модулей микросхемы AD9254

Микросхема AD9254 содержит в себе устройство выборки-хранения (далее – УВХ), обозначенного на схеме на рисунке 1, как SHA. От УВХ сигнал поступает в первый flash-АЦП, где происходит предварительное формирование разрядов. Далее предварительно преобразованные разряды поступают на усилитель, обозначенного на схеме, как MDAC1 [3].

После этого сигналы поступают на восьмиступенчатое устройство сравнения. После него сигналы поступают на второй flash-АЦП, где происходит окончательное формирование разрядов. При всех этих операциях по преобразованию сигналы так же поступают и на цифровой логический корректировщик (Correction Logic) для более точного определения разрядов микросхемой AD9254 [3].

---

После проведения всех вышеперечисленных операций преобразованные сигналы поступают на выходные буферы (Output buffers). На выходных буферах происходит фильтрация преобразованных сигналов с помощью конденсаторов емкостью 0,1 мкФ, подключенных к контактам REFT и REFB [3].

Далее сигналы поступают на выводы микросхемы D0 – D13. Также микросхема оснащена логикой определения выхода за пределы диапазона опорного напряжения VREF. Информация о выходе за пределы диапазона выводится из контакта OR [3].

3.2 Назначение контактов микросхемы AD9254

В таблице 6 представлены нумерация и назначение контактов микросхемы AD9254 [3].

Таблица 6 – Нумерация и назначение контактов микросхемы AD9254

Номер контакта	Номер контакта на HSMC-разъеме	Название контакта	Назначение контакта
0, 21, 23, 29, 32, 37, 41	-	AGND	Аналоговая земля
45, 46, 1-6, 9-14	79, 77, 73, 71, 67, 65, 61, 59, 55, 53, 49, 47, 43, 41	D0 – D13	Данные D0 – младший бит (LSB) D13 – старший бит (MSB)
7, 16, 47,	-	DRGND	Цифровая земля
8, 17, 48		DRVDD	Цифровой драйвер питания (от 1,8 В до 3,3 В)

Продолжение таблицы 6

Номер контакта	Номер контакта на HSMC-разъеме	Название контакта	Назначение контакта
15	83	OR	Индикатор выхода за пределы диапазона опорного напряжения
18	91	SDIO/DSC	Контакт для работы с АЦП по SPI-интерфейсу. Ввод/вывод данных
19	92	SCLK/DFS	Контакт подачи тактового импульса на регистры микросхемы
20	89	CSB	Контакт для разрешения чтения/записи данных на АЦП для его настройки по SPI-интерфейсу
22, 24, 33, 40, 42	-	AVDD	Аналоговое питание
25	-	SENSE	Контакт настройки опорного напряжения (без SPI-интерфейса)
26	-	VREF	Опорное напряжение
27	-	REFB	Дифференциальное разрешение (-)
28	-	REFT	Дифференциальное разрешение (+)
30	-	VIN +	Входное напряжение (+)
31	-	VIN -	Входное напряжение (-)
34	-	CML	Контакт для фильтрации аналогового сигнала

---

Окончание таблицы 6

Номер контакта	Номер контакта на HSMC-разъеме	Название контакта	Назначение контакта
35	-	RBIAS	Контакт для подключения резистора номиналом 10 кОм.
36	-	PWDN	Контакт управления режимом питания микросхемы
38	-	CLK +	Подключение тактового импульса
39	-	CLK -	Подключение тактового импульса
43	85	OEB	Разрешение на передачу данных от микросхемы к ПЛИС
44	156	DCO	Вывод данных из микросхемы к ПЛИC

На рисунке 2 представлены нумерация и наименования контактов микросхемы AD9254 [3].


Рисунок 8 – Нумерация и наименования контактов микросхемы AD9254

3.3 Схемы подключения входного напряжения к микросхеме AD9254

Дифференциальное входное подключение:

Оптимальным применением АЦП AD9254 является дифференциальное входное подключение. Для узкополосного преобразования хорошо подойдет подключение АЦП к микросхеме операционного усилителя AD8138. Выход синфазной передачи напряжения хорошо согласуется с входом CML микросхемы AD9254. Также микросхема AD8138 оснащена драйвером для настройки фильтра входящих на нее сигналов. Схема подключения микросхемы AD8138 показана на рисунке 8 [3].

Дифференциальное трансформаторное подключение:

Для узкополосных схем преобразования сигналов отношение сигнал/шум является ключевым параметром. Для таких схем наиболее предпочтительным вариантом является дифференциальное трансформаторное подключение, схема которого представлена на рисунке 9 [3].

Вход CML у микросхемы AD9254 может быть напрямую подключен к центру вторичной обмотки трансформатора.

При выборе трансформатора параметры входного сигнала должны быть тщательно продуманы. Большинство ВЧ-трансформаторов

---

могут смещать частоту на несколько мегагерц, что приводит к недопустимому искажению сигнала.



Рисунок 8 – Схема подключения микросхемы AD8138 к микросхеме AD9254



Рисунок 9 – Схема дифференциального трансформаторного подключения

Входные сигналы, частота которых входит во вторую зону Найквиста и выше, не могут быть обработаны большинством усилителей из-за их внутреннего шума, что не позволяет объективно оценить отношение сигнал/шум на микросхеме AD9254.

Для схем, где отношение сигнал/шум является ключевым параметром, схема дифференциального трансформаторного подключения является оптимальным вариантом.

Для схем, где динамический диапазон свободный от гармоник (SFDR), является ключевым параметром, рекомендуется подключать входное напряжение через схему двух симметрирующих трансформаторов. Схема представлена на рисунке 10 [3].



Рисунок 10 – Схема подключения входного напряжения с помощью двух симметрирующих трансформаторов

Альтернативой указанной выше схемы является подключение микросхемы AD9254 к микросхеме операционного усилителя AD8352. Схема представлена на рисунке 11 [3].



Рисунок 11 – Схема подключения микросхемы AD9254 к микросхеме AD8352

При любой из указанных ранее схем подключения микросхемы AD9254 для согласования с входным напряжением, необходимо подобрать номинальную емкость шунтирующего конденсатора, обозначенного, как С. В таблице 7 указаны рекомендуемые номинальные значения сопротивления R и емкости C.

Таблица 7 — Рекомендуемые номинальные значения сопротивлений и емкостей в зависимости от частоты входного сигнала

Частота аналогового сигнала, МГц	Номинальное значение сопротивления, Ом	Номинальное значение емкости, пФ
от 0 до 70	33	15
от 70 до 200	33	5
от 200 до 300	15	5
больше 300	15	-

---

Схема согласования входного напряжения «Single-Ended»:

На рисунке 12 представлена схема подключения «Single-Ended» [3].



Рисунок 12 – Схема подключения Single Ended

Несмотря на то, что такая схема подключения АЦП не рекомендуется, микросхема AD9254 все же может работать по схеме подключения Single-Ended. Однако, стоит заметить, что при использовании данной схемы нужно, чтобы частота входного напряжения VIN совпадала с частотой напряжения от аналогового источника питания AVDD.

При данной схеме подключения входного напряжения на микросхему AD9254 показатель SFDR должен снижаться при высоких частотах входного напряжения. Если же значения импедансов от источников входного напряжения согласованы с импедансом на входах VIN микросхемы AD9254, значение показателя SNR должно быть минимально.

3.4 Настройка опорного напряжения

На микросхеме AD9254 есть возможность точной настройки опорного напряжения VREF. Настройка опорного напряжения может производиться как внутри микросхемы, так и с подключением внешних элементов к микросхеме.

Внутренняя настройка опорного напряжения состоит в следующем. Компаратор, встроенный в микросхему AD9254, обнаруживает потенциал на контакте SENSE и может установить значение опорного напряжения в зависимости от положения переключателя внутри микросхемы.

Если контакт SENSE подключен к общему проводу, то операционный усилитель внутри микросхемы подключается к ее внутреннему разделяющему сопротивлению (см. рис. 13). Опорное напряжение при этом устанавливается на уровень в 1 В. Микросхема настраивает значение опорного напряжения с помощью своих внутренних элементов [3].

Если же операционный усилитель внутри микросхемы будет подключен напрямую к контакту SENSE, то значение опорного напряжения будет равно
0,5 В (см. рис. 14). Микросхема в этом случае уже настраивает значение опорного напряжения с помощью внешних элементов [3].



Рисунок 13 – Внутренняя настройка опорного напряжения в микросхеме AD9254



Рисунок 14 – Настройка опорного напряжения через внешне подключаемые элементы

---