如何制作一个简易的Sigma Delta ADC？

本文为备战电赛的案例之一，涉及到的知识技能：

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 PrecisionACCUM_BITS = 10， // 2^ACCUM_BITS is decimation rate of accumulatorLPF_DEPTH_BITS = 3， // 2^LPF_DEPTH_BITS is decimation rate of averagerINPUT_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 portsinput clk_in; // 62.5Mhz on Control Demo boardinput rstn; input analog_cmp; // from LVDS buffer or external comparitor

//output portsoutput analog_out; // feedback to RC networkoutput 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 PrecisionACCUM_BITS = 10， // 2^ACCUM_BITS is decimation rate of accumulatorLPF_DEPTH_BITS = 3; // 2^LPF_DEPTH_BITS is decimation rate of averager

//input portsinput clk; // sample rate clockinput rstn; // async reset， asserted lowinput analog_cmp ; // input from LVDS buffer （comparitor）

//output portsoutput analog_out; // feedback to comparitor input RC circuitoutput sample_rdy; // digital_out is readyoutput ［ADC_WIDTH-1:0］ digital_out; // digital output word of ADC

//**********************************************************************//// Internal Wire & Reg Signals////**********************************************************************reg delta; // captured comparitor outputreg ［ACCUM_BITS-1:0］ sigma; // running accumulator valuereg ［ADC_WIDTH-1:0］ accum; // latched accumulator valuereg ［ACCUM_BITS-1:0］ counter; // decimation counter for accumulatorreg rollover; // decimation counter terminal countreg 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 outputend

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） endend

//***********************************************************************//// 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 endendendmodule

数字低通滤波器模块，做平滑滤波

//*********************************************************************//// ’Box‘ Average //// Standard Mean Average Calculation// Can be modeled as FIR Low-Pass Filter where // all coefficients are equal to ’1‘。////*********************************************************************

module box_ave （ clk， rstn， sample， raw_data_in， ave_data_out， data_out_valid）;

parameter ADC_WIDTH = 8， // ADC Convertor Bit PrecisionLPF_DEPTH_BITS = 4; // 2^LPF_DEPTH_BITS is decimation rate of averager

//input portsinput clk; // sample rate clockinput rstn; // async reset， asserted lowinput sample; // raw_data_in is good on rising edge， input ［ADC_WIDTH-1:0］ raw_data_in; // raw_data input

//output portsoutput ［ADC_WIDTH-1:0］ ave_data_out; // ave data outputoutput data_out_valid; // ave_data_out is valid， single pulse

reg ［ADC_WIDTH-1:0］ ave_data_out; //**********************************************************************//// Internal Wire & Reg Signals////**********************************************************************reg ［ADC_WIDTH+LPF_DEPTH_BITS-1:0］ accum; // accumulatorreg ［LPF_DEPTH_BITS-1:0］ count; // decimation countreg ［ADC_WIDTH-1:0］ raw_data_d1; // pipeline register

reg sample_d1， sample_d2; // pipeline registersreg result_valid; // accumulator result ’valid‘wire accumulate; // sample rising edge detectedwire latch_result; // latch accumulator result

//***********************************************************************//// Rising Edge Detection and data alignment pipelines////***********************************************************************always @（posedge clk or negedge rstn）begin if（ ~rstn ） begin sample_d1 《= 0; sample_d2 《= 0; raw_data_d1 《= 0; result_valid 《= 0; end else begin sample_d1 《= sample; // capture ’sample‘ input sample_d2 《= sample_d1; // delay for edge detection raw_data_d1 《= raw_data_in; // pipeline result_valid 《= latch_result; // pipeline for alignment with result endend

assign accumulate = sample_d1 && ！sample_d2; // ’sample‘ rising_edge detectassign latch_result = accumulate && （count == 0）; // latch accum. per decimation count

//***********************************************************************//// Accumulator Depth counter////***********************************************************************always @（posedge clk or negedge rstn）begin if（ ~rstn ） begin count 《= 0; end else begin if （accumulate） count 《= count + 1; // incr. count per each sample endend

//***********************************************************************//// Accumulator////***********************************************************************always @（posedge clk or negedge rstn）begin if（ ~rstn ） begin accum 《= 0; end else begin if （accumulate） if（count == 0） // reset accumulator accum 《= raw_data_d1; // prime with first value else accum 《= accum + raw_data_d1; // accumulate end end //***********************************************************************//// Latch Result//// ave = （summation of ’n‘ samples）/’n‘ is right shift when ’n‘ is power of two////***********************************************************************always @（posedge clk or negedge rstn）begin if（ ~rstn ） begin ave_data_out 《= 0; end else if （latch_result） begin // at end of decimation period.。. ave_data_out 《= accum 》》 LPF_DEPTH_BITS; // 。.. save accumulator/n result endend

assign data_out_valid = result_valid; // output assignment

endmodule

原文标题：如何在FPGA上用一个比较器实现ADC的功能？

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责任编辑：haq