摘要:針對E2V公司的高速ADC芯片EV10AQ190，提出了一種高速ADC接口電路設(shè)計方案。首先簡要介紹了高速ADC芯片EV10AQ190技術(shù)特點(diǎn)，然后重點(diǎn)敘述了影響高速ADC接口電路性能的兩大關(guān)鍵技術(shù):FPGA片同步技術(shù)和多路ADC校正技術(shù)，最后給出了硬件調(diào)試及實驗結(jié)果。實驗結(jié)果表明，該高速ADC接口電路采樣率可穩(wěn)定工作在4GHz以上。這種方案已成功應(yīng)用到某寬帶雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的設(shè)計中。

隨著電子通信行業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用都要求更高的速率和更大的帶寬，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片的采樣率已經(jīng)從以前的MHz級發(fā)展到當(dāng)前的GHz級。伴隨著信號采樣率的不斷提高，信號偏斜(SKEW)、抖動和噪聲都在吞噬著時序余量，如何在高速系統(tǒng)中進(jìn)行穩(wěn)定、可靠的采樣和數(shù)據(jù)變換將面臨極大的挑戰(zhàn)。

高速ADC電路設(shè)計一直是電子通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)［1］給出了一種基于FPGA片同步技術(shù)的高速ADC接口電路設(shè)計方法。

文獻(xiàn)［5］利用E2V公司ADC芯片EV8AQ160實現(xiàn)了雙通道2.5Gsample/s信號的采集。

文獻(xiàn)［6］介紹了利用FPGA通過SPI協(xié)議對ADC芯片ADC083000進(jìn)行配置的方法，實現(xiàn)了3Gsample/s數(shù)據(jù)采樣。

文獻(xiàn)［7－8］講述了如何利用FPGA來設(shè)計多通道高速ADC采樣控制器。

文獻(xiàn)［9－10］分別介紹了高速ADC電路的設(shè)計方法和PCB設(shè)計要點(diǎn)。

公司ADC芯片EV10AQ190實現(xiàn)了一種高速ADC接口電路，信號采樣率高達(dá)4Gsample/s。EV10AQ190是E2V公司的一款高速ADC芯片，具有10bit分辨率，最高采樣率可達(dá)5GHz。在如此高速的ADC接口設(shè)計中，時鐘和數(shù)據(jù)穩(wěn)定的相位關(guān)系、同步性能的好壞將直接影響信號采集的質(zhì)量，必須采用源同步技術(shù)，保證采樣時鐘和數(shù)據(jù)嚴(yán)格同步、時序關(guān)系穩(wěn)定。此外，對于高速ADC芯片EV10AQ190，內(nèi)部集成了多路ADC，通過采用多通道ADC交錯采樣拼接技術(shù)來獲得更高采集變換速率。因此，多個通道ADC輸出幅度、相位、直流偏置是否一致將直接影響采樣拼接后的高速ADC輸出信號質(zhì)量，高速ADC接口電路設(shè)計時必須對EV10AQ190芯片內(nèi)部4路ADC進(jìn)行幅相一致性校正。

本文提出了一種基于片同步(CHIPSYNC)技術(shù)的高速ADC接口電路設(shè)計方案，利用XILINX公司Virtex－6系列FPGA完成了高速ADC接口設(shè)計，實現(xiàn)了采樣時鐘和數(shù)據(jù)的動態(tài)相位調(diào)整，確保了高速ADC的穩(wěn)定、可靠工作。同時，采用了多路校正技

術(shù)對芯片EV10AQ190內(nèi)部4路ADC的偏置(Offset)、增益(Gain)、相位(Phase)進(jìn)行校正，保證多通道ADC輸出的幅相一致性，確保高速ADC的動態(tài)性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

1 高速ADC 器件EV10AQ190EV10AQ190是E2V公司的一款低功耗、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)集成了4路1．25GHz采樣率、10bit分辨率ADC，輸出為LVDS標(biāo)準(zhǔn)電平，可以工作在單通道、雙通道、四通道3種模式，最高采樣率可達(dá)5GHz。EV10AQ190內(nèi)部集成了1∶1和1∶2的數(shù)據(jù)多路分離器(DMUX)和LVDS輸出緩沖器，可以降低輸出數(shù)據(jù)率，方便與多種類型的高速FPGA直接相連，實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)存儲和處理。為了補(bǔ)償由于器件參數(shù)離散和傳輸路徑差異所造成的采樣數(shù)據(jù)誤差，該ADC具有針對每路ADC數(shù)據(jù)的增益、偏置、相位的控制和校正。EV10AQ190提供測試和自檢功能，方便用戶根據(jù)自己的習(xí)慣對ADC是否正常工作進(jìn)行測試和對時序是否對齊進(jìn)行調(diào)試。

EV10AQ190可以工作在3種模式下，分別是采樣率為1.25GHz的四通道模式，采樣率為2．5GHz的雙通道模式以及采樣率為5GHz的單通道模式。EV10AQ190的所有控制參數(shù)，包括通道選擇、旁路模式、編碼格式、輸出多路分離器、積分非線性校正、偏置校正、增益校正、相位校正等，均可通過SPI串行控制端口對相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。本文中，EV10AQ190配置工作在單通道模式，如圖1所示。

圖1 單通道模式時鐘驅(qū)動( 模擬信號由AAI /AAIN 輸入)

外部模擬信號通過一個射頻轉(zhuǎn)換器將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號，可選擇A、B、C、D任一通道輸入，輸入信號在內(nèi)部同其他3路ADC連通，且4路ADC時鐘均由同一外部時鐘驅(qū)動，即4路ADC共用時鐘電路。在單通道模式下，外部輸入2．5GHz時鐘，該時鐘會被2分頻為1．25GHz，以驅(qū)動內(nèi)部采樣時鐘。同相的1．25GHz時鐘驅(qū)動A路ADC，同時反相的1．25GHz時鐘驅(qū)動B路ADC，同相的1．25GHz時鐘經(jīng)過90°延時后驅(qū)動C路ADC，反相的1．25GHz時鐘經(jīng)過90°延時后驅(qū)動D路ADC，在此交錯拼接模式下將得到最高5GHz的等效采樣率。

2 高速ADC 接口設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)2． 1 基于片同步技術(shù)的高速ADC 接口片同步(CHIPSYNC)是XILINX公司命名的一種同步技術(shù)，其本質(zhì)是一種源同步技術(shù)，目的是為FPGA提供一個高速的源同步數(shù)據(jù)總線接口。它是XILINX公司在Virtex－4及之后系列FPGA上采用的一種技術(shù)，XILINXFPGA內(nèi)部具有若干全局時鐘緩沖器(BUFG)和區(qū)域時鐘緩沖器(BUFＲ)，特別適合做源同步接口。FPGA片內(nèi)每個I/O管腳中集成了一個64階的可編程調(diào)節(jié)信號延遲的延時模塊(IODELAY)，可精確控制信號延時實現(xiàn)采樣時鐘和數(shù)據(jù)相位的動態(tài)調(diào)整，從而確定信號采集的最佳采樣點(diǎn)，實現(xiàn)高速ADC接口的可靠、穩(wěn)定工作。

圖2 4． 0GHz 采樣高速ADC 接口電路原理框圖

圖2為基于片同步技術(shù)的4GHz采樣高速ADC接口電路原理框圖，主要包括高速ADC和高性能FPGA接口處理2部分。

模擬輸入信號經(jīng)過巴倫(BALUN)變壓器完成單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換，然后輸入到高速ADC芯片EV10AQ190的模擬輸入端。利用XILINX公司高性能Virtex－6系列FPGA芯片XC6VSX315T中的40對LVDS管腳接收來自EV10AQ190的4路10bit1000Mbit/s的輸出數(shù)據(jù)，并用4個LVDS專用時鐘輸入通道接收4路ADC輸出的500MHz同步采樣時鐘(DDＲ輸出，采樣時鐘為數(shù)據(jù)速率的一半)。FPGA接收到的4路1000Mbit/s高速數(shù)據(jù)后，經(jīng)過內(nèi)部1:4串并轉(zhuǎn)換模塊(ISEＲDES)后，變成16路并行10bit數(shù)據(jù)，速度降為250Mbit/s，便于FPGA內(nèi)部處理并和低速的外部存儲器相連。

2． 1． 1 高速ADC

EV10AQ190工作在單通道模式下，模擬信號從ADC的A通道輸入，且DMUX=1:1輸出模式，此時ADC工作時序如圖3所示。

圖3EV10AQ190單通道模式1:1DMUX模式的工作時序

圖3中，芯片A端口上的模擬輸入將會在AHD0～AHD9、BHD0～BHD9、CHD0～CHD9和DHD0～DHD9上以交錯方式輸出。本文中，信號采樣率為4GHz，輸入芯片時鐘頻率為2GHz，內(nèi)部4路ADC采樣時鐘為輸入時鐘頻率的一半，即內(nèi)部4路ADC以1GHz進(jìn)行采樣。ADC變換數(shù)據(jù)以DDＲ方式輸出，輸出1000Mbit/s速率數(shù)據(jù)的同時輸出500MHz同步采樣時鐘，輸出數(shù)據(jù)位寬為4×10=40對LVDS信號。

2． 1． 2 ADC 與FPGA 數(shù)據(jù)接口本文采用了XILINX公司Virtex－6系列FPGA(XC6VSX315T)來實現(xiàn)高速ADC接口。ADC芯片EV10AQ190輸出的數(shù)據(jù)和同步時鐘送到FPGA芯片XC6VSX315T中，Virtex－6系列FPGA具有多個專用LVDS差分邏輯接收通道，發(fā)送數(shù)據(jù)速率高達(dá)1．25Gbit/s，接收數(shù)據(jù)速率也高達(dá)1Gbit/s，能夠滿足EV10AQ190輸出數(shù)據(jù)和控制邏輯的要求。Virtex－6系列FPGA的每個I/O管腳都采用了CHIPSYNC技術(shù)［3］，在其I/O管腳中嵌入了一個64階的可編程調(diào)節(jié)信號延遲的延時模塊IODELAY，對于200MHz延時時鐘(周期為5ns)輸入，可調(diào)節(jié)的最小延時為5ns/64=78．15ps。這樣，可以精確地獨(dú)立調(diào)整每根數(shù)據(jù)線的延遲，甚至可以通過設(shè)置一些控制信號在程序運(yùn)行過程中改變信號的延遲，使鎖存時鐘可以精確地對準(zhǔn)每根數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)有效窗口的中心，保證高速數(shù)據(jù)采集時整個數(shù)據(jù)總線的所有數(shù)據(jù)能夠可靠地鎖存。

FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)和時鐘接收處理框圖如圖4所示，ADC數(shù)據(jù)和ADC時鐘信號通過專用差分?jǐn)?shù)據(jù)接口IBUFDS和IBUFGDS進(jìn)入FPGA內(nèi)部，經(jīng)精確延時模塊IODELAY進(jìn)行相位動態(tài)調(diào)整，再經(jīng)過輸入串并變換模塊ISEＲDES作1:4串并轉(zhuǎn)換，完成高速ADC數(shù)據(jù)的接收。

圖4 FPGA 內(nèi)部數(shù)據(jù)和時鐘接收框圖

FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)和時鐘接收功能采用VEＲILOG語言編程，設(shè)計中利用XILINX仿真軟件ISim對該程序進(jìn)行了功能仿真。定義輸入的仿真激勵信號為4路10bit數(shù)據(jù)和時鐘，分別命名為ADC_AHD［9:0］、ADC_BHD［9:0］、ADC_CHD［9:0］、ADC_DHD［9:0］和ＲX_CLK，用來模擬ADC芯片EV10AQ190輸出的4路DDＲ方式的采樣數(shù)據(jù)和時鐘。其中，ADC_AHD為0～99循環(huán)計數(shù)，ADC_BHD為100～199循環(huán)計數(shù)，ADC_CHD為200～299循環(huán)計數(shù)，ADC_DHD為300～399循環(huán)計數(shù)，如圖5所示。

圖5 FPGA 內(nèi)部時序仿真激勵信號

FPGA內(nèi)部時序仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中，reg0～15［9:0］為FPGA輸出的經(jīng)過1:4串并轉(zhuǎn)換(ISEＲDES)后的16路10bit數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，來自ADC芯片的4路高速串行數(shù)據(jù)變?yōu)?6路較低速的并行數(shù)據(jù)，信號速率降為原來的1/4，并且輸出數(shù)據(jù)相對輸入數(shù)據(jù)具有十多個時鐘周期的延時，時序嚴(yán)格同步，驗證FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)和時鐘接收處理程序的正確性。

圖6 FPGA 內(nèi)部時序仿真結(jié)果

2． 2 QDＲ 存儲電路設(shè)計高速ADC 采集變換輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA 進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換降速處理、存儲器接口控制后可外接DDＲ( 雙倍數(shù)據(jù)速率) 或QDＲ( 四倍數(shù)據(jù)速率) 存儲器中進(jìn)行緩存，本文高速ADC 接口電路用于寬帶雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)，F(xiàn)PGA 外接存儲器為QDＲ SＲAM 存儲器，用來實現(xiàn)對雷達(dá)發(fā)射信號的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。

本文使用了CYPＲESS公司的2片QDＲSＲAM存儲器CY7C2565KV18，F(xiàn)PGA和QDＲ存儲器之間的接口電路如圖7所示。

圖7 QDＲ 存儲器接口電路原理框圖

ADC芯片EV10AQ190輸出的4路10bit高速數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA進(jìn)行1:4串并變換后變?yōu)?6路10bit數(shù)據(jù)，速率降為原來的1/4，便于和低速的QDＲ存儲器接口。再經(jīng)過FPGA內(nèi)部QDＲ讀寫控制器(XILINXFPGA內(nèi)部專用的IPCore)后送到2片QDＲ存儲器CY7C2565KV18中進(jìn)行暫存。

2． 3 多路ADC 校正技術(shù)2． 3． 1 ADC 輸出信號的雜散電平［2， 11］

從式(1)可以看出，ADC輸出信號頻率成分包括2部分:有用信號ω0和ω0的各次諧波分量(式(1)中的第一項)以及有用信號與采樣時鐘信號間的各次交調(diào)分量(式(1)中的第2項)。有用信號(ω0)的諧波分量可通過ADC之后的低通濾波器濾除，而有用信號和采樣時鐘間的某些交調(diào)分量，如ωc－ω0、ω0－ωc、2ωc－ω0頻率成分，會落在低通濾波器通帶內(nèi)，無法濾除，影響ADC輸出信號無雜散動態(tài)范圍(SFDＲ)。因此，要提高ADC動態(tài)性能，必須盡量減小有用信號和采樣時鐘間的交調(diào)分量。

2． 3． 2 EV10AQ190 中多路ADC 校正方法

EV10AQ190芯片內(nèi)部包含4個1．25GHz采樣率的ADC，通過交錯采樣拼接技術(shù)實現(xiàn)單通道最高5GHz采樣率。因此，要保證單通道模式下ADC輸出信號質(zhì)量，減小ADC輸出信號雜散電平，必須確保內(nèi)部4路ADC的幅度相同，相位上嚴(yán)格相差90°，即需要對EV10AQ190芯片內(nèi)部4路ADC的直流偏置、增益、相位參數(shù)值進(jìn)行校正，可通過內(nèi)部SPI串行控制端口對相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置來完成。

EV10AQ190芯片工作在單通道模式下，若輸入芯片時鐘為fc，則內(nèi)部4路ADC采樣率為fc/2，等效采樣率為2fc。輸入信號頻率為fin。根據(jù)2．3．1分析結(jié)果，影響ADC輸出信號SFDＲ性能的是有用信號和采樣時鐘間的某些交調(diào)分量，如fc－fin、fc/2－fin和fin－fc/2等均有可能落在低通濾波器通帶內(nèi)，必須盡量抑制。通過幅相一致性校正技術(shù)可有效減小這些交調(diào)分量的大小。

EV10AQ190芯片內(nèi)部多路ADC校正應(yīng)注意兩點(diǎn):一是校正順序是先校偏置，再校增益，最后校相位;二是校正時選擇輸入模擬信號頻率應(yīng)選ADC最大頻率點(diǎn)。對于5GHz采樣，每路ADC采樣率為1．25GHz，故可選擇輸入校正信號頻率點(diǎn)為600．59MHz。

(1)偏置校正(OffsetCalibration)多通道ADC直流偏置不同將會影響輸出信號雜散分量中fc/2頻率信號電平大小，從而影響高速ADC的動態(tài)性能。由于ADC的偏置對增益和相位都有影響，因此首先應(yīng)對偏置進(jìn)行校正。EV10AQ190輸出為10bit無符號數(shù)，最大輸出值是1023，故直流偏置理論上應(yīng)該為511。偏置的校正方法如下:ADC無信號輸入的情況下，記錄ADC輸出數(shù)據(jù)，計算4個通道ADC輸出數(shù)據(jù)的平均值，看平均值是否是511，如果是511說明偏置已經(jīng)校好，如果不是，則通過SPI串口控制EV10AQ190的偏置控制寄存器來調(diào)整ADC偏置，調(diào)整完成，記錄并設(shè)置好4個通道偏置控制寄存器的值。

( 2) 增益校正( Gain Calibration)多通道ADC增益不同將會影響輸出信號雜散分量中fc－fin，fc/2－fin和fin－fc/2頻率信號電平大小，即影響輸入信號的鏡像頻率成分，從而影響ADC的動態(tài)性能。對增益的校正需要保證偏置已經(jīng)校正完成。增益的校正方法如下:ADC輸入一個正弦信號，推薦頻率為600．59MHz，幅度為500mV，記錄下4個通道的采集數(shù)據(jù)并做FFT變換，比較4個通道采集數(shù)據(jù)頻譜的幅度是否相同。如果不同，以一個通道為標(biāo)準(zhǔn)，通過控制EV10AQ190的增益控制寄存器調(diào)整其他3個通道的增益，調(diào)整完成，記錄并設(shè)置好增益控制寄存器的值。增益校正過程要求輸入正弦信號和采樣時鐘信號要嚴(yán)格同源。( 3) 相位校正( Phase Calibration)多通道ADC相位不校準(zhǔn)會影響輸出信號雜散分量中fc－fin，fc/2－fin和fin－fc/2頻率信號電平大小，即影響輸入信號的鏡像頻率成分，從而影響ADC的動態(tài)性能。

相位校正前應(yīng)保證偏置和增益校正已完成。相位校正過程要求EV10AQ190輸入模擬信號頻率是輸入時鐘的2倍，是內(nèi)部4通道ADC采樣率的4倍。對于EV10AQ190工作在單通道5GHz采樣模式下，輸入時鐘頻率為2．5GHz，內(nèi)部每路ADC采樣率為1．25GHz，則將ADC的輸入模擬信號頻率設(shè)置為5GHz。如果EV10AQ190內(nèi)部4路ADC相位嚴(yán)格相差90°，由于輸入信號頻率是內(nèi)部ADC采樣時鐘頻率的4倍，則4個通道采集變換輸出信號幅度相等，4路ADC輸出將在一條直線上，如圖8所示。因此，相位校正時可以通過設(shè)置EV10AQ190的相位控制寄存器來調(diào)整A、B、C、D4個通道采樣時鐘的相位，使得4路輸出信號值(Ai、Bi、Ci、Di，i=1，2

，3，…)盡量相等。

圖8 ADC 相位校正原理

相位校正方法如下:ADC輸入一正弦信號，頻率是輸入采樣時鐘的2倍。記錄4個通道ADC輸出數(shù)據(jù)，如果4路ADC輸出數(shù)據(jù)相同，說明相位校正完成。如果不同，則以一個通道為基準(zhǔn)，通過控制EV10AQ190的相位控制寄存器調(diào)整其他3個通道的相位，使得4個通道ADC輸出值相同。相位校正過程要求輸入正弦信號和采樣時鐘信號要嚴(yán)格同源。

3 實驗與結(jié)果高速ADC接口程序在XILINX公司的ISE軟件中經(jīng)過邏輯綜合、布局布線、目標(biāo)代碼生成等過程，最終用高性能FPGA芯片XC6VSX315T實現(xiàn)，并下載到高速ADC接口電路板上的FPGA進(jìn)行了實驗驗證。實驗過程設(shè)計如下:首先由信號源產(chǎn)生一點(diǎn)頻信號，頻率為500MHz，輸入采樣時鐘為2GHz，高速ADC采樣率為4GHz。500MHz點(diǎn)頻信號經(jīng)過高速ADC芯片后變?yōu)?路并行的數(shù)字信號，數(shù)據(jù)速率為1000Mbit/s，進(jìn)入FPGA芯片。然后在XILINX公司ChipScopeAnalyzer軟件中采集觀測高速ADC信號經(jīng)過1:4串并變換后的數(shù)據(jù)，得到了16路10bit穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，并用總線(bus)波形圖方式顯示，如圖9所示:

圖9 FPGA 內(nèi)部采集的ADC 輸出信號

圖9表明，用頻率為4GHz的采樣時鐘對頻率為500MHz的正弦信號進(jìn)行采樣所得到的高速數(shù)據(jù)經(jīng)過本文設(shè)計的高速ADC接口電路處理后得到了完美的正弦信號數(shù)據(jù)，從而證明了高速ADC接口電路的正確性和有效性。

另外，為測試多路校正技術(shù)對高速ADC接口電路性能影響效果，本文對校正前和校正后ADC輸出信號的無雜散動態(tài)范圍(SFDＲ)進(jìn)行了測試。測試結(jié)果為:幅相一致性校正前輸出信號SFDＲ為35dBc，校正后輸出信號SFDＲ能夠達(dá)到42dBc，提高

了約7dBc。可見，多路校正技術(shù)對于改善高速ADC動態(tài)性能是十分明顯的。

4 結(jié)論

本文針對E2V公司的高速ADC芯片EV10AQ190，介紹了一種高速ADC接口電路設(shè)計方案。通過采用FPGA片同步技術(shù)和多路ADC校正技術(shù)，解決了高速電路中數(shù)據(jù)與時鐘的時序同步以及多通道ADC幅相一致性校正問題，確保了高速ADC的動態(tài)性能和可靠性。文章最后給出了硬件調(diào)試結(jié)果。

實驗結(jié)果表明，通過校正EV10AQ190芯片內(nèi)部4路ADC的偏置、增益、相位并采用FPGA片同步技術(shù)，該高速ADC接口電路采樣率可達(dá)4GHz以上，雜散優(yōu)于42dBc，高速ADC輸出數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定、可靠的鎖存到FPGA內(nèi)部。該接口電路方案已成功應(yīng)用到某寬帶雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)高速信號采集的設(shè)計中。