FPGA使用XADC测量外部模拟输入电压

乘风

11 月前

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一、XADC简介

1.1、特性

Xilinx系列的FPGA中都包含了一个内置的XADC，我们可以通过这个XADC进行一些精度不高的外部模拟信号采样以及FPGA片内传感器信号采集。XADC的分辨率为12位，采样率为1MSPS。

1.2、结构框图

两片XADC，ADC A可用于片内传感器采集（温度、参考电源电压），也可用于外部模拟信号采集。ADC B只能用于外部模拟信号采集。
1个专用模拟输入通道和16个复用模拟输入通道
基准源可选：内部基准源和外部基准源
对外接口DRP可通过JTAG或者FPGA内部逻辑进行控制

图1.1 XADC内部结构框图

1.3、XADC接口介绍

初始化接口：

图1.2 XADC初始化接口图

信号名	方向	功能描述
di_in[15:0]	input	DRP的输入数据总线。
daddr_in[6:0]	input	DRP的地址总线。
den_in	input	DPR的使能信号
dwe_in	input	DRP的写使能信号
drdy_out	output	DRP的数据准备好信号
do_out[15:0]	output	DRP的输出数据总线
dclk_in	input	DRP的输入时钟
reset_in	input	XADC的复位信号，高电平有效
vp_in/ vn_in	input	专用模拟输入通道，可设计为差分模拟信号输入，当设计使用XADC功能但不用VP/VN时，应该将这两个引脚接地
VAUXP[15:0]/VAUXN[15:0]	input	16个复用的模拟输入通道，可设计为差分模拟信号输入
ot_out	output	过温报警输出信号
channel_out[4:0]	input	通道选择输出信号。当前ADC转换的输入MUX通道选择，由该接口输出提供给用户查看。
eoc_out	output	ADC转换完成信号。当测量值被写入状态寄存器时，该信号在ADC完成转换之后拉高
eos_out	output	时序结束信号。自动通道序列中，当最后一个通道的数据被写入状态寄存器时，该信号转为高电平。
busy_out	output	ADC忙信号。该信号在ADC转换时为一直为高电平。

寄存器接口：
XADC一共有128个寄存器，前64个（00H ~ 3FH）为只读寄存器，后64个（40H~7FH）为可读写的控制寄存器。一般我们用前32个只读寄存器比较多。

1.3 XADC寄存器接口图

ADC通道选择寄存器：
可以看到ADC模拟通道选择的值与对应通道存放数据的状态寄存器的地址相同。

二、硬件电路

2.1、基准电源

XADC的所需要的基本外围电路如图所示。XADC的基准源可使用外步基准源来实现，基准源的电压为1.25V；也可以选择使用内部基准源，外围电路直接将VREFP和VREFN接地即可。

图2.1 基准电源外围电路

2.2、模拟输入通道

XADC模拟信号输入方式有单极性和双极性两种。XADC默认的方式为单极性输入，fpga片上所有传感器的工作模式为单极性输入。

单极性输入： 当使用单极性输入时，输入电压范围为0V ~ 1V，对应ADC编码范围为000h~FFFh，量化分辨率为1V / 2¹²=244uV。

图2.2 单极性输入电压量化图

在单极性输入模式，Vp必须为正，Vn连接到模拟地或者共模信号。Vn连接到共模信号时，该信号电压范围应该为0V_{0.5V（即Vp与Vn的共模电压范围），由于Vp与Vn的差模电压范围为0V}1V，所以在单极性输入模式下，Vp的输入电压最高可达1.5V。

图2.3 单极性输入电压范围图

双极性输入： 当使用双极性输入时，差分输入电压范围为-0.5V ~ +0.5V，XADC编码采用补码格式，对应编码范围为800h ~ FFFh、000h ~ 7FFh。量化分辨率为1V/2¹²=244uV。

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