1，硬件工作環(huán)境

ADC：ADS52J90。FPGA：kintex7。供電：12V/4A 直流電源。該板卡最多外接32通道2Vpp模擬信號以及20路外部觸發(fā)信號。數(shù)據(jù)傳輸接口方式有千兆以太網(wǎng)接口、高速光纖接口以及低速USB串口。需要用到的工具為萬用表、示波器、信號發(fā)生器。

圖1：硬件PCB

2，邏輯開發(fā)環(huán)境

Vivado2017.4(但也能夠兼容ise14.7)。

3，工作模式總結(jié)

小青菜哥哥開發(fā)該ADC的工作模式如下（注：該ADC在8通道模式下只支持LVDS模式下的10bit精度）：

3.1 LVDS模式

3.2 JESD204B模式（該ADC的JESD204B功能不支持8通道模式）

4，LVDS_16通道_10bit_100MSPS數(shù)據(jù)采集開發(fā)過程

本篇將介紹該款A(yù)DC的16通道/10bit/100MSPS工作模式下的開發(fā)過程。開發(fā)過程本人按步驟總結(jié)了以下6點：

1）熟悉LVDS模式下的16通道工作原理

2）對時鐘芯片編程，產(chǎn)生100MHz的ADC時鐘

3）配置該ADC的工作模式為LVDS/16通道/10bit/100MSPS

4）開發(fā)FPGA端的ADC數(shù)據(jù)獲取邏輯

5）在線chipscope調(diào)試與測試

6）利用真實信號測試

4.1熟悉LVDS模式下的16通道工作原理

小青菜哥哥在決定開發(fā)這款A(yù)DC后，首先做的第一件事就是仔細研讀它的數(shù)據(jù)手冊。該ADC工作在16通道時，其信號輸入部分的采樣原理由下圖2詳細給出了說明：

圖2：16通道信號輸入采樣

該芯片內(nèi)含16個AD轉(zhuǎn)換器，從上圖不難發(fā)現(xiàn)其工作在16通道模式時，每個AD轉(zhuǎn)換器負責處理一路輸入信號。并且該AD轉(zhuǎn)換比較特殊的一點就是：每個AD轉(zhuǎn)換內(nèi)部都分為奇采樣和偶采樣，這是其他ADC所沒有的，我想這么做的目的就是為了更好的實現(xiàn)每個AD可以處理2路輸入信號，從而利用16個AD轉(zhuǎn)換器就可以實現(xiàn)該芯片32通道的數(shù)據(jù)采集。該模式下的數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)手冊中也詳細給出了，如下圖3所示：

圖3：16通道模式LVDS輸出結(jié)構(gòu)

我們可以看到，雖然一個ADC工作時分為奇數(shù)和偶數(shù)采樣，但最終輸出時已經(jīng)合二為一，一個通道的采樣數(shù)據(jù)最終通過一個AD輸出。該模式下，從模擬信號輸入到LVDS串行數(shù)據(jù)輸出之間詳細的映射關(guān)系如下表所示，屬于一一對應(yīng)：

4.2對時鐘芯片編程，產(chǎn)生100MHz的ADC時鐘

既然ADC工作在100MHz連續(xù)采樣下，因此FPGA的處理時鐘也應(yīng)該設(shè)計為100MHz。FPGA利用板載40MHz晶振，產(chǎn)生配置邏輯，對LMK04826時鐘芯片進行編程配置，分別產(chǎn)生ADC采樣和FPGA系統(tǒng)100MHz時鐘。即有輸入時鐘fIN=100MHz，采樣時鐘fSAMP=100MHz,轉(zhuǎn)換時鐘fc=100MHz,幀時鐘fFCLK=100MHz,位時鐘fbitclk=5*fFCLK=500MHz.

4.3配置該ADC的工作模式為LVDS/16通道/10bit/100MSPS

該ADC芯片可以工作在多種模式下，其默認的工作模式可能不是我們所需要的模式。因此需要通過SPI配置該ADC，配置數(shù)據(jù)和地址應(yīng)該嚴格按照數(shù)據(jù)手冊給出的值確定。該ADC芯片功能很豐富，因此配置寄存器數(shù)量比較多，有一些寄存器不需要配置，保持默認值即可。我們需要做的就是了解每個配置寄存器的功能，選擇需要的寄存器配置，這里需要花費大量的時間和精力。該款A(yù)DC配置的方面的內(nèi)容在以前的文章已詳細說明，這里略過。

4.4開發(fā)FPGA端的ADC數(shù)據(jù)獲取邏輯

對于該款A(yù)DC的FPGA數(shù)據(jù)獲取邏輯思路很清晰，其實就是高速源同步數(shù)據(jù)的獲取，只需要利用FPGA自帶的底層硬件資源ISERDES即可實現(xiàn)。ISERDES就是FPGA自帶的高速串并轉(zhuǎn)換模塊，其具體定義和功能，小青菜哥哥在以前的文章中已專門說過。該數(shù)據(jù)采集模塊功能圖如圖4所示：

圖4：數(shù)據(jù)采集模塊框圖

下面分別介紹各個主要模塊的功能：

1,DCLK模塊

DCK模塊的功能就是通過idelayISERDESBUFIOBUFR產(chǎn)生bitclk和clkdiv，使得bitclk的相位和位時鐘dclk的相位對齊。其內(nèi)部功能框圖如圖5所示：

圖5：dlck

具體過程就是：首先控制模塊控制Idelay延遲模塊，使得dclk產(chǎn)生一定的延遲量。Idelay的輸出再經(jīng)過BUFIO和BUFR，進一步產(chǎn)生固定延遲，得到bitclk和clkdiv。Dclk同時還進入ISERDES模塊進行串行轉(zhuǎn)換，其時鐘就為bitclk。控制模塊一直監(jiān)視iserdes的并行數(shù)據(jù)輸出。隨著idelay延遲量的改變，iserdes的輸出也一直在變。當發(fā)現(xiàn)iserdes的輸出為既有0又有1的狀態(tài)時，說明bitclk和dclk相位對齊了。之后bitclk就可以作為fclk和data的數(shù)據(jù)采集時鐘了。

2,FCLK模塊

Dclk模塊功能完成之后，只能保證采集到的數(shù)據(jù)的每一位都是對的，但并不知道一個10bit數(shù)據(jù)的首尾在哪，fclk模塊就是用來尋找并行數(shù)據(jù)的正確起始與結(jié)束位置，因此業(yè)界也稱fclk為幀時鐘，但它并不是用作時鐘，只用來判斷data數(shù)據(jù)的位置。通過圖3給出的LVDS輸出時序圖，不難發(fā)現(xiàn)：fclk進入iserdes進行串并轉(zhuǎn)換后，如果輸出的10bit數(shù)據(jù)為1111100000，說明找到了正確的字符邊界，在此狀態(tài)下去取data從iserdes輸出的并行10bit數(shù)據(jù)即可，如圖6所示：

圖6：fclk

fclk工作的原理就是通過bitslip不斷的調(diào)節(jié)iserdes的輸出，當輸出為1111100000時，該模塊功能完成，bitslip的用法在iserdes的說明里很詳細，前面的文章也具體介紹過~。

3,Data模塊&數(shù)據(jù)輸出模塊

Dclk和fclk的功能完成后，該模塊就只需要取數(shù)就就行了，不需要任何控制操作。然后將取到的數(shù)通過fifo同步到系統(tǒng)時鐘域進行后續(xù)的處理，如圖7所示：

圖7：data

Fifo1的寫入時鐘為100MHz,用100MHz的系統(tǒng)時鐘讀這個fifo，讀出的數(shù)據(jù)即為100MSPS采樣率的全局時鐘域下的模擬輸入波形。由于所有的時鐘都同源產(chǎn)生于LMK04826，所以不用擔心fifo的空滿問題，只需要不斷讀就可以~

4.5在線chipscope調(diào)試與測試

按照上面的思路和功能模塊編寫好代碼，并利用chipscope觀察輸出信號。首先將ADC配置成ramp測試模式，即測試累加數(shù)據(jù)(0~1023)會取代正常采樣數(shù)據(jù)，測試的波形如下圖9，10所示?？梢钥吹紽PGA接收到的測試數(shù)據(jù)無誤。

圖8：ramp測試總體

圖9：ramp測試細節(jié)

4.6利用真實信號測試采集功能

接下來，將ADC配置成正常采集模式，利用外接的信號發(fā)生器，F(xiàn)PGA獲取到的100MHz采樣波形如圖10，11 ，12所示：

圖10：chipscope抓取正弦波形

圖11：chipscope正弦詳細波形

圖12：信號發(fā)生器輸出波形

可以看到，信號發(fā)生器給的正弦波形頻率為5MHz(200ns)，而chipscope抓取的正弦波形一個周期為20個點，chipscope的觀察時鐘為100MHz (10ns)，信號發(fā)生器給出的波形和數(shù)據(jù)采集后波形完全一致。