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FPGA：介绍几款高速ADC及其接口形式

news 来源：原创 2025/5/3 14:38:11

本文介绍了几款采样率至少为500Msps的高速ADC芯片，并详细介绍ADC与FPGA之间的常见接口形式，以及FPGA如何正确读取高速ADC的输出数据。以下内容基于当前的高速ADC技术趋势和常见的工程实践。

一、推荐的高速ADC芯片（采样率≥500Msps）

以下是几款性能优异、采样率至少为500Msps的高速ADC芯片，适用于与FPGA配合的高速数据采集系统。这些芯片来自知名厂商（如ADI、TI等），并广泛应用于通信、雷达、测试测量等领域。

AD9680（Analog Devices）
- 采样率：最高1.25Gsps（1250Msps），可配置为500Msps或1Gsps。
- 分辨率：14位。
- 输入带宽：全功率-3dB带宽达2GHz。
- 接口：JESD204B（高速串行接口），支持多通道同步采集。
- 特点：内置数字下变频（DDC）功能，适合宽带RF信号处理。功耗较低，适合高性能系统。
- 应用：雷达、无线通信、自动测试设备。
- 参考：FMC148子卡模块使用AD9680实现8路500Msps/1Gsps采集。
AD9684（Analog Devices）
- 采样率：500Msps（双通道）。
- 分辨率：14位。
- 输入带宽：支持宽带信号输入。
- 接口：JESD204B或并行LVDS。
- 特点：高动态范围，适合同步采集系统。支持SPI接口配置工作状态。
- 应用：通信基础设施、雷达。
- 参考：FMC120子卡使用AD9684实现2路500Msps采集。
ADC12DJ3200（Texas Instruments）
- 采样率：最高3.2Gsps（单通道）或1.6Gsps（双通道），可配置为500Msps以上。
- 分辨率：12位。
- 输入带宽：8GHz。
- 接口：JESD204B，支持多通道高速串行数据传输。
- 特点：超高采样率，适合超宽带应用。提供低抖动时钟输入。
- 应用：宽带通信、毫米波雷达。
- 参考：TI高速ADC产品系列。
AD9213（Analog Devices）
- 采样率：最高10.25Gsps，可降至500Msps以上。
- 分辨率：12位。
- 输入带宽：6.5GHz。
- 接口：JESD204B（16通道）。
- 特点：超高采样率和宽输入带宽，适合高动态范围和低转换误差率（CER）的应用。
- 应用：射频（RF）信号处理、宽带时域应用。
- 参考：AD9213数据手册。

二、ADC与FPGA的接口形式

高速ADC与FPGA之间的数据传输通常采用以下几种接口形式，具体选择取决于ADC的输出格式、数据速率以及FPGA的I/O能力。

并行LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）
- 描述：LVDS是一种低压差分信号接口，适合中高速ADC（采样率通常在200Msps至1Gsps）。数据以并行方式传输，每个ADC通道输出多位数据（例如12位或14位），并伴随数据时钟（DCLK）和帧时钟（FCLK）。
- 优点：
  - 实现简单，FPGA端只需配置LVDS接收模块。
  - 数据对齐较为直观，适合较低采样率（<1Gsps）。
- 缺点：
  - 随着采样率增加，所需的I/O引脚数量增多，布线复杂。
  - 时钟频率较高时，信号完整性要求严格。
- 典型应用：AD9684支持并行LVDS输出，适合500Msps采样率系统。
- FPGA实现：
  - 使用FPGA的LVDS接收器模块（如Xilinx的ISERDES或Intel的ALTLVDS_RX）。
  - 配置时钟管理单元（MMCM/PLL）以对齐数据和时钟。
  - 确保PCB布线等长，优化信号完整性。
JESD204B（串行接口）
- 描述：JESD204B是一种高速串行接口标准，广泛用于超高速ADC（采样率>500Msps）。它通过高速GTX/GTH收发器（通常运行在几Gbps）传输数据，减少引脚数量。
- 优点：
  - 引脚数量少，简化PCB设计。
  - 支持多通道同步，适合复杂系统。
  - 数据速率高，适合Gsps级ADC。
- 缺点：
  - 协议复杂，FPGA需要实现JESD204B IP核。
  - 对时钟质量和抖动要求较高。
- 典型应用：AD9680、AD9213均采用JESD204B接口，适合高带宽应用。
- FPGA实现：
  - 使用FPGA厂商提供的JESD204B IP核（例如Xilinx/Intel的JESD204B PHY和协议栈）。
  - 配置高速收发器（GTX/GTH）以匹配ADC的Lane速率（通常3-12Gbps）。
  - 实现SYSREF和SYNC信号同步，确保多通道对齐。
并行CMOS（较少使用）
- 典型应用：较老旧的ADC芯片（如AD9280）可能使用CMOS接口。
- FPGA实现：直接使用FPGA的GPIO接收数据，配合外部时钟信号进行采样。

三、FPGA如何正确读取高速ADC的输出数据

为了确保FPGA能够正确读取高速ADC的输出数据，需要从硬件设计、FPGA逻辑设计和调试三个方面进行优化。以下是详细步骤和注意事项：

1. 硬件设计注意事项

时钟质量：
- 高速ADC需要低抖动时钟（抖动<100fs RMS），以保证采样精度。
- 使用高性能时钟芯片（如TI的LMK04828或ADI的HMC7044）提供ADC和FPGA的时钟。
- 对于JESD204B接口，确保SYSREF信号与时钟对齐，用于多通道同步。
信号完整性：
- LVDS或JESD204B信号需要等长布线，差分对阻抗匹配（通常100Ω）。
- 避免信号串扰，优化PCB层叠设计。
电源稳定性：
- ADC和FPGA需要独立的低噪声电源（如LDO或DC-DC）。
- 添加去耦电容，降低电源纹波。

2. FPGA逻辑设计

并行LVDS接口读取：
1. 时钟对齐：
  - 使用ADC输出的DCLK（数据时钟）作为FPGA输入时钟，驱动ISERDES模块。
  - 配置MMCM/PLL对DCLK进行相位调整，确保数据采样窗口正确。
2. 数据解串：
  - 使用FPGA的ISERDES模块将高速LVDS数据解串为低速并行数据（例如，14位数据从200MHz降为50MHz）。
  - 确保帧时钟（FCLK）与数据对齐，用于多通道同步。
3. 数据存储：
  - 将解串后的数据写入FIFO（First-In-First-Out）缓冲区，用于跨时钟域传输。
  - FIFO的深度需根据数据速率和后续处理需求设计（例如，1024或4096深度）。
4. 状态机控制：
  - 设计状态机控制ADC的初始化、采样启动和数据读取。
  - 通过SPI接口配置ADC的工作模式（如采样率、输出格式）。
JESD204B接口读取：
1. IP核配置：
  - 使用FPGA厂商的JESD204B IP核，配置Lane数量、速率（L、M、F参数）和子类（通常为子类1，支持SYSREF同步）。
  - 例如，AD9680可能使用4个Lane，速率6.25Gbps。
2. 同步流程：
  - 实现SYSREF和SYNC信号的处理，确保JESD204B链路初始化成功。
  - 监控链路状态（CGS、ILAS、数据阶段），确保数据传输稳定。
3. 数据解包：
  - JESD204B IP核输出解码后的数据流（通常为AXI-Stream格式）。
  - 解析数据流，提取ADC采样数据（例如，14位样本）。
4. FIFO缓存：
  - 将解析后的数据写入FIFO，供后续处理（如FFT、滤波）。
调试工具：
- 使用FPGA的ILA（Integrated Logic Analyzer）捕获ADC数据和时钟信号，验证时序。
- 例如，创龙Kintex-7评估板使用ILA调试AD9613的250Msps数据。

3. 数据读取流程

初始化：
- 通过SPI接口配置ADC的参数（如采样率、输出模式、JESD204B Lane配置）。
- 初始化FPGA的接收模块（LVDS或JESD204B IP）。
同步：
- 对于LVDS，确保DCLK和数据对齐。
- 对于JESD204B，完成CGS（Code Group Synchronization）、ILAS（Initial Lane Alignment Sequence）和数据传输阶段。
数据采集：
- ADC连续采样，数据通过接口传输到FPGA。
- FPGA的FIFO缓冲数据，防止数据丢失。
后续处理：
- 根据应用需求，将数据送入DSP模块（例如FFT、数字滤波）或通过PCIe/DDR存储/传输。
错误检测：
- 监控ADC的状态寄存器，检查过载（Overrange）或错误标志。
- 使用CRC（JESD204B）或奇偶校验（LVDS）检测传输错误。

4. 常见问题及解决方法

数据不对齐：
- 检查时钟相位，使用FPGA的IDELAY模块微调数据延迟。
- 确保PCB布线等长，差分信号阻抗匹配。
数据丢失：
- 增加FIFO深度，确保读写速率匹配。
- 检查JESD204B链路的SYNC状态，重新初始化链路。
时钟抖动：
- 使用低抖动时钟源，优化时钟分配网络。
- 参考TI的JESD204快速设计IP建议，隔离时钟抖动影响。

四、总结

推荐ADC芯片：AD9680、AD9684、ADC12DJ3200、AD9213，采样率均≥500Msps，适合高性能应用。
接口形式：并行LVDS适合中速系统（<1Gsps），JESD204B适合超高速系统（>500Msps），CMOS较少使用。
FPGA读取数据：
- LVDS：使用ISERDES解串，FIFO缓存，状态机控制。
- JESD204B：配置IP核，处理SYSREF/SYNC，解析AXI-Stream数据。
- 硬件设计需保证时钟质量、信号完整性和电源稳定性。
- 使用ILA等调试工具验证时序和数据正确性。