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  • 發布時間:2020-10-05 17:55 原文鏈接: 高精度SAR模數轉換器的抗混疊濾波考慮因素(三)

    一款超低功耗的多通道系統

    出于能耗、精度和操作模式選擇靈活性的原因,同時也是出于商業考慮,在這些應用中不能考慮基于FPGA的解決方案。要處理來自這些20位ADC的串行輸出并實現最優抽取濾波器,只能使用DSP浮點處理器。

    如今,有許多數據采集系統都能通過大量信道同時采樣。這就導致許多ADC并行運行,同時由同一個控制器控制,該控制器還要負責收集數據并將其存儲在存儲器中以供后續分析。

    運用SHARC ADSP-21479或其快速版ADSP-21469和ADSP-21489(時鐘頻率為450 MHz)等高性能SAR ADC構建的系統不但現實可行,而且在性能、開發時間、能耗和緊湊性等方面也是可圈可點。這些處理器具有支持8個模數數字化通道所需要的全部功能和外設,包括同步串行接口、不同時鐘信號的發生以及觸發轉換等。在所有SHARC處理器中,ADSP-21479是唯一一款采用低泄漏65納米CMOS工藝制造的32/40位浮點DSP,其優勢是能大幅降低泄漏或靜態電流,并且其結溫幾乎呈指數級演進。作為處理器及其外設頻率和活動函數的動態電流也低于以標準或快速CMOS工藝制造的處理器。不足之處則在于,相比常規版本,其最大CPU頻率下降了約30%-40%,但仍然足以滿足此類應用的需求。

    ADSP-21479搭載了多種外設,其中有一個特殊模塊被稱為串行輸入端口(SIP),該模塊能同時從同步運行的8個外部串口發射器接收信號流以及時鐘和同步信號。事實上,可以將與AD4020類似的8個ADC直接接入該接口,從而接入處理器。如圖5所示,8個通道有自己的IDP_SCK時鐘、IDP_FS同步和IDP_DAT輸入信號,一旦解串行,它們的數據會自動復用到32位、8字FIFO存儲器中,然后通過64位DMA數據包或CPU執行的讀取操作,傳輸到SHARC內部RAM。DMA傳輸操作中,SIP由運行于自動乒乓模式下的雙索引DMA通道伺服。此外,ADSP-21479還搭載有四個精密時鐘發生器(用于低抖動,縮寫為PCG),能夠從內部或外部源(TCXO)生成獨立的時鐘和同步信號對。通過編程20位內部分頻器可取得這些激勵的頻率、周期、脈沖寬度和相位。每個PCGx生成單元提供由一對AD4020轉換器共享的一對CLK/FS信號,但在轉換階段時鐘必須靜音,所以需要一個邏輯門,以便把IDP_FS信號和IDP_SCK信號結合起來形成SCK時鐘。圖5中的時序圖顯示,一旦轉換時間tconv已經過去,必須盡可能快地以33.3 MHz的速率,從當前樣本中讀取20位數據,以在采樣頻率中維持1 MSPS的神奇屏障。大約600 ns后,數據被傳輸到其中一個SIP緩沖器中,此時可以使用IDP_FS或CNV信號啟動新的轉換周期,使AD4020進行新的轉換操作。使后者的最大轉換時間達到325 ns,這對應于CNV信號的脈沖寬度,即12個IDP_SCK時鐘周期或360 ns。總之,如圖5中的時序圖所示,一個完整的掃描周期需要32個IDP_SCK信號周期,總時間為960 ns,因此其最大采樣速率為1.040 MSPS。

    同樣,ADC LTC2378-20可以與ADSP-21489相關聯,因為它能夠在高達50 MHz的外設時鐘頻率下工作,在這種情況下,采樣速率為900 kSPS,如表1所示。遺憾的是,靜態電源電流(Iddint)或后者的泄漏電流遠高于動態電流,使得該配置的總功耗超過可用功率,達到不可接受的程度。

    抽取濾波

    假設將這些轉換器用于過采樣模式,如此,就有必要提供一個能滿足上述要求且針對目標頻帶定制的抽取濾波器,在所需計算能力和功耗方面盡量降低對DSP的影響。目前,用于改變采樣速率的程序已經成為一種標準的數字信號處理操作,可以用內插器和數字抽取器實現。出于相位響應線性度考慮,低通抽取濾波器采用有限脈沖響應(FIR)拓撲結構,可以根據效率要求采用不同的拓撲結構:

    • 抽取專用直接或優化FIR濾波器

    • 級聯多速率FIR濾波器(1/2頻段)

    • 多相FIR濾波器


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