Praca inżynierska

Badanie właściwości
wysokorozdzielczych przetworników
analogowo-cyfrowych w systemie
programowalnym FPGA
Autor: Daniel Słowik
Promotor: Dr inż. Daniel Kopiec
Wrocław 2016
Plan prezentacji
•
•
•
•
Założenia i cel pracy
Etapy realizacji pracy
Moduł przetworników
Projekt sterownika z wykorzystaniem układu
Spartan 3E Starter Board
• Oprogramowanie kontrolno-sterujące LabView
• Wyniki eksperymentalne
• Podsumowanie
Założenia i cel pracy
Celem pracy była budowa systemu umożliwiającego prowadzenie pomiarów
właściwości dynamicznych przetworników analogowo-cyfrowych takich
jak:
- efektywna liczba bitów – ENOB,
- współczynnik sygnału do szumu – SNR,
- współczynniki tłumienia harmonicznych – THD, THD+N (SINAD),
- stosunek sygnału do największego zniekształcenia – SFDR.
Etapy realizacji pracy
1. Projekt i wykonanie modułu rozszerzeń z wykorzystaniem
przetworników A/C: AD7612 oraz AD7665
2. Uruchomienie modułu
3. Realizacja oprogramowania w języku VHDL dla logiki programowalnej
Spartan 3E Starter Board - FPGA
4. Oprogramowanie kontrolno-sterujące w środowisku LabView
5. Pomiary
RS-232
Moduł przetworników A/C - projekt
Moduł przetworników A/C - realizacja
Układ ścieżek projektowanego
modułu rozszerzeń
Obwód drukowany PCB na
podstawie wykonanego projektu
Moduł przetworników A/C - realizacja
Złącze FX100S,
- dane cyfrowe
Przetwornik
AD7665
Przetwornik
AD7612
we
we
Blok zasilania układów A/C oraz wzmacniaczy
Moduł rozszerzeń z przetwornikami A/C wykonany w ramach realizowanej pracy
Sterownik zrealizowany w matrycy
programowalnej FPGA
• Obsługa przetworników A/C
• Komunikacja z PC za pomocą interfejsu RS-232
Oprogramowanie kontrolno-sterujące
w środowisku LabView
Zadania aplikacji: sterowanie przetwornikami, odbieranie danych od przetworników,
przetwarzanie danych realizacja FFT, komunikacja z układem Spartan 3E Starter Board.
Sterowanie
przetwornikami
FFT, prezentacja
wyniku
Odbieranie
danych
Widok elementów składowych aplikacji sterującej w LabView
Interfejs aplikacji sterującej
Interfejs aplikacji sterującej
Interfejs główny aplikacji kontrolno-sterującej w środowisku LabView
Stanowisko pomiarowe
Zasada zestawienia systemu pomiarowego
- Pomiar oraz przetwarzanie
sygnału analogowego w czasie
rzeczywistym
- Maksymalna uzyskana szybkość
przetwarzania 21,187 kS/S
Stanowisko pomiarowe
Wyniki eksperymentalne
Pomiary parametrów przetworników AD7612 i AD7665 prowadzono
z wykorzystaniem sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 500 Hz oraz 2kHz.
Tabela 1. Otrzymane wyniki pomiarów
AD7612
SNR [dB]
THD [dB]
SINAD (THD+N) [dB]
SFDR [dB]
ENOB
500 Hz
70
-46
45,8
55
7,3
AD7665
2 kHz
76
-49,6
49,5
53
7,9
500 Hz
77
-44,6
44,6
55
7,1
Tabela 2. Parametry katalogowe badanych przetworników
SNR [dB]
SINAD [dB]
SFDR [dB]
AD7612
2 kHz
94
94
100
AD7665
180 kHz
90
90
102
2 kHz
80
-54,8
54,8
57
8,8
Wyniki eksperymentalne
- Mała częstotliwość próbkowania sygnału
- Zniekształcenia wnoszone przez elementy wejściowe (filtry,
wzmacniacze operacyjne)
Podsumowanie
• Wykonano projekt modułu rozszerzeń do badania właściwości dynamicznych
przetworników A/C
• Zaimplementowano w macierzy bramek programowalnych FPGA kod obsługi
przetworników A/C oraz protokół komunikacji szeregowej
• Wykonano aplikację kontrolno-sterującą w środowisku LabView
• Przeprowadzono
pomiary
właściwości
dynamicznych
wybranych
przetworników
Wykonany system sprawdza się znakomicie do
pomiarowych o częstotliwości sygnału do 10,500 kHz.
akwizycji
danych
Zwiększenie szybkości pracy systemu możliwe jest poprzez buforowanie danych
pomiarowych w pamięci struktury programowalnej FPGA, jednak wiąże się to z
utratą przetwarzania w czasie rzeczywistym.
Dziękuję za uwagę
SNR
SNR  20 log(
Vsignal
Vnoise
)
SINAD, ENOB
SINAD  10 log(
Vrms
2
noise
V
V V V V V
2
2
2
3
2
4
2
5
2
6
)
gdzie: Vrms – wartość skuteczna sygnału analogowego, Vnoise – napięcie
związane z szumem, V2-6 – wartości kolejnych harmonicznych sygnału.
ENOB 
SINAD  1,76 dB
6,02 dB
THD, THD+N
THD  20 log(
THD  N  20 log(
V22  V32  V42  V52  V62
V1
2
Vnoise
 V22  V32  V42  V52  V62
V1
)
)
gdzie: Vnoise – napięcie związane z szumem, V2-6 – kolejne harmoniczne sygnału.
SFDR
FFT 500 Hz
FFT liniowo
V1
V2
V3
V4
V6
V5