读论文之《基于EV10AQ190的高速ADC接口设计》

背景:

之前通过数据手册简单地认识了一下 EV10AQ190这款ADC芯片,见博文地址:

EV10AQ190A(4核ADC)博客精选目录

这个博文目录里面收录了有关博文,可以作为初步参考。



回顾:

今天看了这篇论文,感觉还挺有吸引力,就做了如下的笔记:

如下图,首先以单通道工作方式为例,回顾一下这款ADC芯片的工作模式:



外部给该ADC芯片提供一个时钟CLK,频率为2.5GHz,通过内部时钟电路,2分频之后的时钟送到核A(ADC A),相位翻转180°的二分频时钟送到核B(ADC B),相位偏移90°的二分频时钟送到核C(ADC C),相位偏移270°的二分频时钟送到核D(ADC D)。四个ADC核(A、B、C、D)同时工作(同时采样),工作频率相当于5GHz。

也可以根据论文上的描述:

外部模拟信号通过一个射频转换器将单端信号转换成差分信号,可选择 A、B、C、D 任一通道输入,输入信号在内部同其他 3 路 ADC 连通,且 4 路 ADC时钟均由同一外部时钟驱动,即 4 路 ADC 共用时钟电路。在单通道模式下,外部输入 2. 5GHz 时钟,该时钟会被 2 分频为 1. 25 GHz,以驱动内部采样时钟。同相的 1. 25 GHz 时钟驱动 A 路 ADC,同时反相的1. 25 GHz 时钟驱动 B 路 ADC,同相的 1. 25GHz 时钟经过 90°延时后驱动 C 路 ADC,反相的 1.25 GHz 时钟经过 90°延时后驱动 D 路 ADC,在此交错拼接模式下将得到最高 5GHz 的等效采样率。

从上面的分析大概也能明白了采样时钟的波形是什么样子的:



描述一下采样顺序就是ADC A采样的数据为第1个,然后ADC C 采样的数据为第2个, ADC B采样的数据为第3个, ADC D采样的数据为第4个,依次循环。

正如数据手册的描述:

 For simplification purpose of the timer the temporal order of ports regarding sampling is A C B D, therefore samples order at output port is as follows:

为了简化定时器的目的,关于采样的端口的时间顺序是A C B D,因此输出端口的采样顺序如下:

A: N, N + 4, N + 8, N + 12…
C: N + 1, N + 5, N + 9…
B: N + 2, N + 6, N + 10…
D: N + 3, N + 7, N + 11…


画个表格更直观些:

ADC A N N+4 N+8 N+12
ADC C N+1 N+5 N+9 ...
ADC B N+2 N+6 N+10 ...
ADC D N+3 N+7 N+11 ...

回顾就到这里吧。



基于片同步技术的高速 ADC 接口

片同步( CHIPSYNC) 是 XILINX 公司命名的一种同步技术,其本质是一种源同步技术,目的是为FPGA 提供一个高速的源同步数据总线接口。它是XILINX 公司在 Virtex - 4 及之后系列 FPGA 上采用的一种技术,XILINX FPGA 内部具有若干全局时钟缓冲器( BUFG) 和区域时钟缓冲器( BUFR) ,特别适合做源同步接口。FPGA 片内每个 I/O 管脚中集成了一个 64 阶的可编程调节信号延迟的延时模块( IODELAY) ,可精确控制信号延时实现采样时钟和数据相位的动态调整,从而确定信号采集的最佳采样点,实现高速 ADC 接口的可靠、稳定工作。

图 2 为基于片同步技术的 4GHz 采样高速 ADC接口电路原理框图,主要包括高速 ADC 和高性能FPGA 接口处理 2 部分。模拟输入信号经过巴伦( BALUN) 变压器完成单端信号到差分信号的转换,然后输入到高速 ADC芯片 EV10AQ190 的模拟输入端。利用 XILINX 公司高性能 Virtex - 6 系列 FPGA 芯片 XC6VSX315T中的 40 对 LVDS 管脚接收来自 EV10AQ190 的 4 路10 bit 1 000 Mbit / s 的输出数据,并用 4 个 LVDS 专用时钟输入通道接收 4 路 ADC 输出的 500MHz 同步采样时钟( DDR 输出,采样时钟为数据速率的一半) 。FPGA 接收的 4 路 1 000 Mbit/s 高速数据后,经过内部 1: 4 串并转换模块( ISERDES) 后,变成16 路并行 10 bit 数据,速度降为 250 Mbit / s,便于FPGA 内部处理并和低速的外部存储器相连。

上面说的4GHz的意思是ADC等效的采样速率,这也就意味着外部输入时钟的频率为2GHz,如此数据同步时钟是外部时钟的1/4,也就是500MHz。等效采样速率为4GHz,那么每一个通道的采样速率就是1GHz,也就是1000MHz,那么EV10AQ190的每一路输出数据速率为1000Mbit/s,且由于该ADC芯片的采样分辨率为10bit,也就是每个采样点数据为10bit。

4路1000Mbit/s的输出数据经过FPGA的接收后,经过FPGA内部1:4串并转换后,每一路串行数据变成4路并行数据,那么4路数据串行数据变成16路并行数据,此时并行数据的速率为串行的1/4,也就是250Mbit/s,这样速率就降低了,便于FPGA内部处理并和低速的外部存储器相连。

高速ADC

EV10AQ190 工作在单通道模式下,模拟信号从ADC 的 A 通道输入,且 DMUX = 1: 1 输出模式,此时ADC 工作时序如下图 所示。图 3 中,芯片 A 端口上的模拟输入将会在 AHD0~ AHD9、BHD0 ~ BHD9、CHD0 ~ CHD9 和 DHD0 ~DHD9 上以交错方式输出。本文中,信号采样率为 4GHz,输入芯片时钟频率为 2 GHz,内部 4 路 ADC 采样时钟为输入时钟频率的一半,即内部 4 路 ADC 以 1GHz 进行采样。ADC 变换数据以 DDR 方式输出,输出1 000 Mbit/s 速率数据的同时输出500 MHz 同步采样时钟,输出数据位宽为 4 ×10 =40 对 LVDS 信号。

ADC 与 FPGA 数据接口

本文采用了 XILINX 公司 Virtex - 6 系列 FPGA XC6VSX315T) 来实现高速 ADC 接口。ADC 芯片EV10AQ190 输出的数据和同步时钟送到 FPGA 芯片XC6VSX315T 中,Virtex - 6 系列 FPGA 具有多个专用LVDS 差分逻辑接收通道,发送数据速率高达 1. 25Gbit / s,接收数据速率也高达 1 Gbit / s,能 够 满 足EV10AQ190 输出数据和控制逻辑的要求。Virtex - 6系列 FPGA 的每个 I/O 管脚都采用了 CHIPSYNC 技术,在其 I/O 管脚中嵌入了一个 64 阶的可编程调节信号延迟的延时模块 IODELAY,对于 200 MHz 延时时钟( 周期为 5 ns) 输入,可调节的最小延时为5 ns/64= 78. 15 ps。这样,可以精确地独立调整每根数据线的延迟,甚至可以通过设置一些控制信号在程序运行过程中改变信号的延迟,使锁存时钟可以精确地对准每根数据线数据有效窗口的中心,保证高速数据采集时整个数据总线的所有数据能够可靠地锁存。

FPGA 内部数据和时钟接收处理框图如下图所示,ADC 数据和 ADC 时钟信号通过专用差分数据接口 IBUFDS 和 IBUFGDS 进入 FPGA 内部,经精确延时模块 IODELAY 进行相位动态调整,再经过输入串并变换模块 ISERDES 作 1: 4 串并转换,完成高速 ADC 数据的接收。

至于接下来的仿真等,我还实现不了。就记到这里吧,以后积累了经验在回头看。

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转载自blog.csdn.net/Reborn_Lee/article/details/81704582
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