支持树莓派和小脚丫FPGA的双通道高速数据采集系统
项目需求
功能要求
- 设计一个双通道的高速ADC采集卡能够通过Mini-PCIe连接器同小脚丫FPGA扩展板、同Cyclone 10的SoC板进行连接
- 设计一个树莓派HAT板，通过其上的Mini-PCIe插座将高速ADC的数据传递到板子上的FPGA芯片（可以用XO2-1200 TQ100封装的FPGA），经过FPGA进行数据处理后，再通过树莓派上的SPI总线跟树莓派进行连接，由树莓派进行波形的显示
性能要求
- 被采集的模拟信号的幅度范围±5mV ～ ±10V，模拟带宽DC - 10MHz
- 双路并行ADC，位宽10bit，采样率50MSPS；
- 树莓派接口，尺寸合适、布局合理；
- 电源及PCB满足系统要求；
项目方案
方案综述
项目分为三个部分：
- 第1部分（ADC板）：完成模拟信号到数字信号的转换
- 第2部分（FPGA板）：控制ADC板的模拟信号处理，并对采集到的数字信号进行处理
- 第3部分（树莓派板）：将FPGA处理完的数字信号显示出来
项目总体框图如下：
一、各部分说明
1. ADC子板:完成模拟信号到数字信号的转变,如下图所示。
2. FPGA板： FPGA板功能框图如下。
3.树莓派板
- 波形显示
- SPI接口
二、关键元器件选择
三、实施计划
- 第1周:查找相关资料，确定总体项目方案。
- 第2周:学习PCB，设计与制造PCB。完成信号调理模块的放大器与滤波的设计，设计ADC板。
- 第3周:学习FPGA与Verilog编程，设计FPGA板，确定电源的设计参数。
- 第4周:实现树莓派通过SPI与FPGA模块连接，焊制板卡，系统测试调连。
项目实施
PCB设计
- PCB原理图：
- ADC子板shiboqi.pdf
- FPGA子板fpga_project.pdf
PCB制造
BOM表
- ADC子板BOM表adc_bom.xlsx
- FPGA子板BOM表fpga_bom.xlsx
PCB板图
- ADC子板：
- FPGA子板：
LOGO设计
- ADC子板：
- FPGA子板：
PCB焊接、调试
- 焊接完成后的ADC板
- 焊接完成后的FPGA
FPGA连接和Verilog编程
- FPGA控制衰减放大电路 fpga-control-adc.zip
- ADC采集 fpga-adc.zip
- UART串口 uart.zip
项目报告
项目简要总结
- 完成FPGA板的焊接与调试，FPGA能够正常工作，烧录程序，实现与外部ADC之间的控制，以及与外部UART的通信。
- 完成ADC板中的ADC芯片的输出数据的调试，ADC芯片能够正常完成采集数据与量化。
- 未完成ADC板的模拟电路调试部分，最后得到的差分电压不能够达到项目需求。
项目出现的问题
在该项目中，我们所遇到的主要问题是在ADC板的模拟电路调试部分。调试过程当中：
- 已完成部分
- 光耦控制的交直流耦合部分正常工作
- 多路开关选择经调试后正常工作，实现交流电压输入之后选择是否衰减40倍的效果
- AD8061正常完成运放作用
- ADC芯片正常工作，能够输出0.9V的输出共模电压。
- 未完成的部分及出现的问题
- 在下图所示的开关控制放大倍数的部分，在低电压幅度范围内能够正常完成放大倍数，而加大了电压幅度值之后，放大后的电压底部会出现失真变形的现象，未找到解决方案
- 在下图所示的实现转换差分信号输出的部分，得到的差分电压幅度值未能达到要求。不论我们给出的输入信号为多大，得出的差分信号电压差始终处于3.8V左右，未找到解决方案
项目改进及方案
- step1：将信号发生器的信号电压加在ADC芯片所对应的管脚
- step2：将ADC板搭建在cyc10的开发板
- step3：通过cyc10开发板上的8个LED指示灯的亮灭来观看ADC芯片是否正常完成采样
系统测试
* ADC芯片测试
当正负压差都达到0.7V左右之后，达到饱和，由此可以推断出ADC的处理电压差在0.75V左右。
* FPGA串口通信测试：
参考资料
- 示波器设计参考
- FPGA
- 来自FPGA4FUN上的FPGA代码参考
- ADC
- 扩展板
- scopefun
- 树莓派
- JTAG