FPGA DAN VHDL TEORI, ANTARMUKA DAN APLIKASI Chapter 19

Transkripsi

1 FPGA DAN VHDL TEORI, ANTARMUKA DAN APLIKASI Chapter 19 Antarmuka Pada FPGA Xilinx Spartan-3E Ferry Wahyu Wibowo

2 Outlines Pendahuluan Analog Capture Circuit Programmable Pre-Amplifier Analog-to-Digital Converter (ADC) Pemrosesan Sinyal Digital Digital-to-Analog Converter (DAC) 2

3 Pendahuluan Sistem Perancangan Antarmuka Menggunakan FPGA 3

4 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

5 Analog Capture Circuit Analog capture circuit pada FPGA Spartan-3E Starter Kit terdiri dari programmable scaling pre-amplifier dan ADC 5

6 Analog Capture Circuit Analog capture circuit terdiri dari Linear Technology LTC 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. 6

7 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) x Gain ( 13 : 0) = x 1,

8 Analog Capture Circuit Gain merupakan pengaturan bati yang diisikan ke programmable pre-amplifier 8

9 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

10 Analog Capture Circuit 10

11 Analog Capture Circuit Nilai digital merupakan representasi signed 14- bit 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 11

12 Analog Capture Circuit 12

13 Analog Capture Circuit Top level dari amplifier dan ADC 13

14 Programmable Pre- Amplifier LTC mempunyai dua inverting amplifier dengan gain yang dapat diprogram Tujuan amplifier adalah untuk menskala tegangan pada VINA dan arus pada VINB 14

15 Programmable Pre- Amplifier 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

16 Programmable Pre- Amplifier Pengaturan gain untuk pre-amplifier A3 A2 A1 A0 Gain Range tegangan masukan B3 B2 B1 B0 minimum maksimum ,4 2, ,025 2, ,4 1, ,525 1, ,5875 1, ,625 1, ,6375 1,

17 Programmable Pre- Amplifier 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

18 Programmable Pre- Amplifier 18

19 Programmable Pre- Amplifier 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 constant gain : std_logic_vector(7 downto 0) := " "; 19

20 Programmable Pre- Amplifier Deskripsi rangkaian untuk mengendalikan Amplifier ini menggunakan bahasa VHDL dengan metode Finite State Machine (FSM) Moore 20

21 Programmable Pre- Amplifier Deskripsi rangkaian untuk mengendalikan Amplifier ini menggunakan bahasa VHDL dengan metode Finite State Machine (FSM) Moore 21

22 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). 22

23 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: masukan master, keluaran serial dan merupakan representasi digital nilai analog sample sebagai dua 14-bit dua nilai biner komplemen. 23

24 Analog-to-Digital Converter 24

25 Analog-to-Digital Converter 25

26 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

27 Pemrosesan Sinyal Digital 27

28 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. 28

29 Digital-to-Analog Converter 29

30 Digital-to-Analog Converter 30

31 Digital-to-Analog Converter Sinyal Pin FPGA Arah Deskripsi SPI_MOSI T4 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 FPGA DAC Clock DAC_CLR P8 FPGA DAC Asinkron, masukan reset active-low SPI_MISO N10 FPGA DAC Data serial: masukan master, keluaran slave. 31

32 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 33

34 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 V = D[11 : 0] 4096 OUT V REFERENSI x 34

35 Digital-to-Analog Converter Tegangan referensi terkait dengan keluaran DAC A dan B sekitar 3,3V+5% D[11 : 0] V = x ( 3,3V ± 5% ) OUT A atau B 4096 Tegangan referensi terkait dengan keluaran DAC C dan D sekitar 2,5V+5% D[11 : 0] V = x ( 2,5V ± 5% ) OUT C atau D

36 Digital-to-Analog Converter Pengendali DAC 36

37 TERIMA KASIH