FPGA DAN VHDL TEORI, ANTARMUKA DAN APLIKASI Chapter 19

FPGA DAN VHDL

TEORI, ANTARMUKA DAN APLIKASI

Chapter 19

Antarmuka Pada FPGA Xilinx Spartan-3E

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

Pendahuluan

Sistem Perancangan Antarmuka Menggunakan FPGA

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

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

Analog Capture Circuit

• Analog capture circuit pada FPGA Spartan-3E

Starter Kit terdiri dari programmable scaling

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

Analog Capture Circuit

• Mengubah tegangan analog pada VINA atau

VINB dan mengubahnya menjadi representasi

digital 14-bit, D[13:0]

(

)

₈₁₉₂ 25 , 1 65 , 1 ) 0 : 13 ( Vin x Gain x Digital Keluaran =

-Analog Capture Circuit

• Gain merupakan pengaturan bati yang diisikan

ke programmable pre-amplifier

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

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.

Analog Capture Circuit

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

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

Analog Capture Circuit

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

Analog Capture Circuit

Programmable Pre

-Amplifier

• LTC6912-1 mempunyai dua inverting amplifier

dengan gain yang dapat diprogram

• Tujuan amplifier adalah untuk menskala

tegangan pada VINA dan arus pada VINB

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

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

Programmable Pre

-Amplifier

• Pengaturan gain untuk pre-amplifier

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

Rights Reserved 16 A3 A2 A1 A0 Gain Range tegangan masukan 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

Programmable Pre

-Amplifier

• Komunikasi berbasis SPI antarmuka dengan

amplifier

• Keluaran AMP_DOUT dari amplifier

berulang-ulang mengatur gain sebelumnya, dalam

beberapa aplikasi dapat diabaikan

• Antarmuka amplifier relatif lamban dan hanya

Programmable Pre

-Amplifier

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

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 2624-1

Programmable Pre

-Amplifier

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

Rights Reserved 20

• Deskripsi rangkaian untuk mengendalikan

Amplifier ini menggunakan bahasa VHDL

dengan metode Finite State Machine (FSM)

Programmable Pre

-Amplifier

• Deskripsi rangkaian untuk mengendalikan

Amplifier ini menggunakan bahasa VHDL

dengan metode Finite State Machine (FSM)

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

Analog-to-Digital

Converter

Sinyal Pin FPGA Spartan-3E

Arah Deskripsi

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.

Analog-to-Digital

Converter

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

Analog-to-Digital

Converter

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

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

Digital-to-Analog

Converter

• Spartan 3E starter kit mempunyai piranti

kompatibel dengan SPI, empat channel,

Digital-to-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

Digital-to-Analog

Converter

Digital-to-Analog

Converter

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

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.

Digital-to-Analog

Converter

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

Rights Reserved 32

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

Digital-to-Analog

Converter

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

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

Rights Reserved 34 REFERENSI OUT

x

V

D

V

4096

]

0

:

11

[

=

Digital-to-Analog

Converter

• Tegangan referensi terkait dengan keluaran DAC

A dan B sekitar 3,3V+5%

• Tegangan referensi terkait dengan keluaran DAC

C dan D sekitar 2,5V+5%

(

3,3 5%

)

4096 ] 0 : 11 [ ± = D x V V_{OUT A atau B}

(

2,5 5%

)

4096 ] 0 : 11 [ ± = D x V V_{OUT C atau D}

Digital-to-Analog

Converter

• Pengendali DAC

© Copyright 2014 oleh Ferry Wahyu Wibowo, Deepublish. All

TERIMA

KASIH