FPGA DAN VHDL TEORI, ANTARMUKA DAN APLIKASI Chapter 19

FPGA DAN VHDL TEORI, ANTARMUKA DAN APLIKASI

Chapter 19

Antarmuka Pada FPGA Xilinx Spartan-3E Ferry Wahyu Wibowo

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

Outlines • Pendahuluan • Analog Capture Circuit • Programmable Pre-Amplifier • Analog-to-Digital Converter (ADC)

• Pemrosesan Sinyal Digital • Digital-to-Analog Converter (DAC) © Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

2

Pendahuluan Sistem Perancangan Antarmuka Menggunakan FPGA


3

Analog Capture Circuit • Mencuplik sinyal analog dan mengubahnya menjadi sinyal digital kemudian diproses sistem komputasinya oleh FPGA

• DAC digunakan sebagai keluaran hasil komputasinya yang berupa sinyal analog


4

Analog Capture Circuit • Analog capture circuit pada FPGA Spartan-3E Starter Kit terdiri dari programmable scaling pre-amplifier dan ADC


5

Analog Capture Circuit • Analog capture circuit terdiri dari Linear Technology LTC6912-1 pre-amplifier yang dapat diprogram dengan menskala sinyal analog pada header J7 • Keluaran pre-amplifier terhubung ke Linear Technology LTC1407A-1 ADC • Pre-amplifier dan ADC diprogram secara serial atau dikendalikan oleh FPGA. © Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

6

Analog Capture Circuit • Mengubah tegangan analog pada VINA atau VINB dan mengubahnya menjadi representasi digital 14-bit, D[13:0]

Keluaran Digital

( Vin - 1,65) (13 : 0) =


x Gain

x 8192

1,25

7

Analog Capture Circuit • Gain merupakan pengaturan bati yang diisikan ke programmable pre-amplifier


8

Analog Capture Circuit • Tegangan referensi untuk amplifier dan ADC adalah 1,65V yang dibangkitkan melalui tegangan pembagi

• Jangkah maksimum ADC adalah +1,25V dari tegangan referensi 1,65V • Keluaran ADC merupakan 14-bit keluaran digital dua komplemen, sehingga nilainya diskala oleh 8192 atau 213. © Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

9

Analog Capture Circuit


10

Analog Capture Circuit • Nilai digital merupakan representasi signed 14bit dua komplemen dari jangkah masukan -1,25v sampai +1,25v

• Jika ingin menghubungkan sinyal alternating current (AC) ke pin masukan VINA atau VINB pada FPGA Spartan-3E harus melalui kapasitor untuk menyaring sinyal direct current (DC), sehingga hanya sinyal AC saja yang akan dilewatkan © Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

11

Analog Capture Circuit


12

Analog Capture Circuit • Top level dari amplifier dan ADC


13

Programmable PreAmplifier • LTC6912-1 mempunyai dua inverting amplifier dengan gain yang dapat diprogram • Tujuan amplifier adalah untuk menskala tegangan pada VINA dan arus pada VINB


14

Programmable PreAmplifier Sinyal

Pin FPGA

Arah

Deskripsi

SPI_MOSI

T4

FPGA → AD

Data serial: keluaran master, masukan slave. Mempunyai 8-bit pengaturan gain yang dapat diprogram sebagaimana didefinisikan dalam tabel 3.2.

AMP_CS

N7

FPGA → AMP Pemilih chip active-low. Bati amplifier diatur ketika sinyal kembali tinggi.

SPI_SCK

U16

FPGA → AMP Clock

AMP_SHDN

P7

FPGA → AMP Active-high shutdown, reset

AMP_DOUT

E18

FPGA → AMP Data serial, melakukan pengulangan pengaturan bati amplifier sebelumnya, hal ini dapat diabaikan pada beberapa aplikasi.


15

Programmable PreAmplifier • Pengaturan gain untuk pre-amplifier A3 A2 A1 A0

Range tegangan masukan

Gain B3 B2 B1 B0

minimum maksimum

0

0

0

1

-1

0,4

2,9

0

0

1

0

-2

1,025

2,275

0

0

1

1

-5

1,4

1,9

0

1

0

0

-10

1,525

1,775

0

1

0

1

-20

1,5875

1,7125

0

1

1

0

-50

1,625

1,675

0

1

1

1

-100

1,6375

1,6625


16

Programmable PreAmplifier • Komunikasi berbasis SPI antarmuka dengan amplifier • Keluaran AMP_DOUT dari amplifier berulangulang mengatur gain sebelumnya, dalam beberapa aplikasi dapat diabaikan • Antarmuka amplifier relatif lamban dan hanya mendukung sekitar 10 MHz frekuensi clock


17

Programmable PreAmplifier


18

Programmable PreAmplifier • AMP_DOUT selalu aktif sehingga tidak dapat membagi sinyal SDO yang sama sebagaimana piranti lainnya

• FPGA perlu mentransmisikan masing-masing byte MSB yang pertama • VHDL untuk memilih gain slave LTC 2624-1 constant gain : std_logic_vector(7 downto 0) := "00010001"; © Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

19

Programmable PreAmplifier • Deskripsi rangkaian untuk mengendalikan Amplifier ini menggunakan bahasa VHDL dengan metode Finite State Machine (FSM) Moore


20

Programmable PreAmplifier • Deskripsi rangkaian untuk mengendalikan Amplifier ini menggunakan bahasa VHDL dengan metode Finite State Machine (FSM) Moore


21

Analog-to-Digital Converter • Analog Digital Converter (ADC) yang digunakan adalah LTC 1407A-1 yang mempunyai dua masukan sinyal, masukan keduanya berupa sinyal analog yang di-sampling secara simultan ketika sinyal AD_CONV diaplikasikan

• ADC ini men-sampling data analog menggunakan serial peripheral interface (SPI). © Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

22

Analog-to-Digital Converter Sinyal

Pin FPGA

Arah

Deskripsi

Spartan-3E SPI_SCK

U16

FPGA → ADC Clock

AD_CONV

P11

FPGA → ADC Active-High shutdown dan reset

SPI_MISO

N10

FPGA → ADC Data

serial:

keluaran

serial

representasi

master,

masukan dan

digital

merupakan nilai

analog

sample sebagai dua 14-bit dua nilai biner komplemen.


23

Analog-to-Digital Converter


24

Analog-to-Digital Converter


25

Pemrosesan Sinyal Digital • Proses sinyal digital yang dihasilkan dari ADC untuk menghasilkan pengukuran daya listrik bernilai digital dan hasilnya diteruskan ke DAC menggunakan FPGA Spartan-3E


26

Pemrosesan Sinyal Digital


27

Digital-to-Analog Converter • Spartan 3E starter kit mempunyai piranti kompatibel dengan SPI, empat channel, Digitalto-Analog Converter (DAC) serial

• Piranti DAC yang digunakan adalah Linear Technology LTC2624 quad DAC dengan resolusi unsigned 12-bit • Empat keluaran dari DAC diperlihatkan pada J5 header yang menggunakan format Digilent 6-pin peripheral module. © Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

28

Digital-to-Analog Converter


29



30

Digital-to-Analog Converter Sinyal

Pin FPGA

SPI_MOSI

T4

Arah

Deskripsi

FPGA → DAC Data serial : keluaran master, masukan slave

DAC_CS

N8

FPGA → DAC Pemilih chip active-low. Konversi digital ke analog mulai ketika sinyal kembali high.

SPI_SCK

U16

DAC_CLR

P8

SPI_MISO

N10

FPGA → DAC Clock FPGA → DAC Asinkron, masukan reset active-low FPGA → DAC Data

serial:

masukan

master,

keluaran slave.


31

Digital-to-Analog Converter Sinyal

Piranti yang di-disable

Nilai disable

SPI_SS_B

SPI serial flash

1

AMP_CS

Programmable pre-amplifier

1

AD_CONV

Analog-to-Digital Converter (ADC)

0

SF_CE0

StrataFlash Parallel Flash PROM

1

FPGA_INIT_B

Platform Flash PROM

1


32



33

Digital-to-Analog Converter • Channel A dan B menggunakan tegangan referensi 3,3V sedangkan channel C dan D menggunakan referensi 2,5V. Tegangan referensi itu sendiri mempunyai toleransi +5%, sehingga akan ada kaitan variansi pada tegangan keluaran

VOUT

D[11 : 0] = x VREFERENSI 4096


34

Digital-to-Analog Converter • Tegangan referensi terkait dengan keluaran DAC A dan B sekitar 3,3V+5% D[11 : 0] VOUT A atau B = x (3,3V ± 5%) 4096 • Tegangan referensi terkait dengan keluaran DAC C dan D sekitar 2,5V+5% D[11 : 0] VOUT C atau D = x (2,5V ± 5%) 4096 © Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All Rights Reserved

35

Digital-to-Analog Converter • Pengendali DAC


36

TERIMA KASIH


FPGA DAN VHDL TEORI, ANTARMUKA DAN APLIKASI Chapter 19

Recommend Documents