Современная электроника №4/2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 51 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2021 Рис. 31. Результаты АЦП для выделенного входа ПЛИС на интервале 50 мкс для нулевого входного сигнала Помимо информационных сигналов проект ПЛИС выдаёт на выводыПЛИС несколько контрольных и технологи- ческих сигналов: контрольный сигнал с выхода PLL sys_pll_control, сигнал воз- врата IP-ядром валидности АЦП OUT_ response_valid_adc, сигнал возврата IP-ядром запуска преобразований OUT_ response_startofpacket_adc, сигнал воз- врата IP-ядром останова преобразова- ний OUT_response_endofpacket_adc. Исследование измерителя напряжения в ПЛИС Для исследования модуля АЦП с помощью вышеописанного проекта ПЛИС использовался многоканальный логический анализатор, описание кото- рого можно загрузить по ссылке [2], а ПО поддержки – по ссылке [3]. Для грубой оценки количества эффективных разрядов АЦП, то есть таких, которые кодируют собственно входной сигнал, а не внутренние шумы АЦП, соединяем накоротко вход внеш- ней аналоговой цепи выбранного кана- ла АЦП№7 (контакт J4-7) с аналоговым общим проводом, затем задаём канал 7 в качестве активного и запускаем пре- образования. Снятая через параллель- ный интерфейс с помощью логическо- го анализатора последовательность результатов АЦП для входных выбо- рок 1 MSPS на интервале времени 50 мкс показана на рисунке 30. Как мож- но видеть из рисунка, младшие три раз- ряда выходного кода АЦП при нуле- вом напряжении на аналоговом входе дают хаотические всплески единиц, не привязанные по времени ни к каким периодическим сигналам, кроме вну- треннего синхросигнала модуля АЦП (1 МГц). Эти всплески отражают влия- ние на результат преобразования вну- тренних шумов АЦП. При напряжении полной шкалы 3300 мВ цена младшего значащего разряда АЦП (МЗР, разряд 0) составляет 0,805 мВ, разряда 1 – 1,61 мВ, разряда 2 – 3,22 мВ. Следовательно, мак- симальная величина всплесков в пере- счёте на эквивалентный уровень напря- жения при одновременно единичных трёх младших разрядах может состав- лять до 5,635 мВ. Аналогичная оценка для канала 0 (выделенный вход АЦП) даёт резуль- тат, показанный на рисунке 31. Еди- ничные всплески в разряде 2 здесь происходят реже, чем в предыдущем случае, но также имеют место. Очевид- но, в канале 7 шума во входной сиг- нал добавляет буферный ОУ, кото- рый в плане шумовых свойств вовсе не является прецизионным.Таким образом, как для выделенного, так и для универсального входов АЦП по результатам грубой оценки имеем только девять эффективных разрядов. Шумовые свойства АЦП ПЛИС семей- ства MAX10 на практике оставляют желать лучшего. Для оценки ошибок смещения нуля и усиления АЦП были произведены изме- рения напряжения на входе внешней аналоговой цепи выбранного канала 0 АЦП (вывод 3 ПЛИС U2) в несколь- ких точках в пределах полной шкалы (0…+3,3 В) с помощью контрольного эталонного вольтметра-мультиметра производства RIGOL модели DM3058E, имеющего разрешение 5 1 / 2 разряда на пределе измерения напряжения 20 В постоянного тока (паспортная погреш- ность измерений не более 0,02%). Полу- ченные результаты измерений вместе с результатами АЦП, взятыми из пока- занийЖКИ макета, приведены в табли- це 11. Как можно видеть из таблицы 11, ошибки смещения нуля и усиления в середине и в районе максимума шкалы вполне укладываются в пределы, ука- занные в таблице 2 (часть 1). Однако из-за внутренних шумов АЦП индици- руемые на ЖКИ результаты АЦП посто- янно «прыгают» в пределах нескольких милливольт, что затрудняет коррект- ную оценку ошибок смещения нуля и усиления. По результатам проведённых оце- ночных исследований можно сделать вывод, что параметры АЦП в ПЛИС семейства MAX10 являются довольно средними как в плане точности, так и в плане скорости. Модуль АЦП в ПЛИС семейства MAX10 по своим характери- стикам примерно соответствует 12-раз- рядными АЦП в большинстве микро- контроллерных семейств. Применение АЦП в ПЛИС MAX10 можно рекомен- довать для приложений, не требующих большой точности и скорости: кон- троль питающих напряжений, оциф- ровка узкополосных сигналов с непре- цизионных датчиков, оцифровка звука со средним качеством и т.п. Для высо- коскоростных и высокоточных прило- жений АЦП в ПЛИСMAX10 рекомендо- ван быть не может. Оценочное исследование измерителя температуры, выполненного на основе встроенного температурного датчика TSD, показало, что при положительной температуре данный измеритель даёт ошибку порядка 5...7 ° С, что, впрочем, вполне укладывается в пределы, указан- ные в таблице 2 (часть 1). Литература 1. Intel®MAX® 10 Analog to Digital Converter User Guide. Updated for Intel® Quartus® Prime Design Suite: 19.1/ UG-M10ADC | 2020.03.17. https://www.intel.com/ content/dam/www/programmable/us/ en/pdfs/literature/hb/max-10/ug_m10_ adc.pdf. 2. DSLogic Plus USB-based Logic Analyzer. https://www.dreamsourcelab.com/doc/ DSLogic_Plus_Datasheet.pdf. 3. https://www.dreamsourcelab.com/ download/. Таблица 11. Результаты оценки ошибок смещения нуля и усиления АЦП Характеристика входного напряжения Показания ЖКИ макета, мВ Показания контрольного вольтметра, мВ Модуль разности показаний, мВ Доля разности показаний от полной шкалы, % Примечание Канал 0 АЦП (выделенный вход АЦП в ПЛИС) Нулевое напряжение – замыкание входа АЦП на общий провод 1 –0,2 1,2 0,037 Ошибка смещения нуля Точка в районе середины шкалы 1703 1700,7 2,3 0,069 Ошибка усиления в середине шкалы Точка в районе максимума шкалы 3258 3259,3 1,3 0,039 Ошибка усиления у максимума шкалы