AD7961介绍及FPGA驱动

FPGA驱动"/>

AD7961介绍及FPGA驱动

AD7961介绍

AD7961是一款16位模数转换芯片，最高采样率可达5MSPS，串行LVDS接口，真差分输入。

所谓真差分输入，指电压输入端口 I N + IN+ IN+、 I N − IN- IN− 均可参与信号传输，其中 I N + IN+ IN+ 与信号相同， I N − IN- IN− 反相，注意，反相不是指电压为负，实际上 I N + IN+ IN+、 I N − IN- IN− 的电压范围均在 0 ∼ 5 V 0\sim 5V 0∼5V ，ADC采样值为 I N + IN+ IN+、 I N − IN- IN− 的差值。真差分输入可以有效抑制共模噪声。

与之相对应的伪差分输入， I N − IN- IN− 仅作为直流参考端，并不参与信号传输。

LVDS（Low-Voltage Differential Signaling），低电压差分信号，是一种差分数字信号传输技术，最高传输速率可达几百Mbps，由于采用差分信号，其具有低噪声的特点。

如上图所示，IN±即模拟电压信号的差分输入端，CNV±、D±、DCO±、CLK±为四个LVDS差分信号对，用于控制ADC的数据采集。EN0~EN3用于配置ADC的工作模式。

CNV±为转换控制信号，ADC在CNV±的上升沿转换IN±的电压差；D±为数据端口；CLK±为时钟输入；DCO±为时钟输出，在回声时钟模式下输出回声时钟用于数据同步。

AD7961有两种采样工作模式：自时钟模式(Self Clocked Mode)、回声时钟模式(Echoed Clock Interface Mode)。

当DCO+被接地时，选中自时钟模式；当DCO+不接地时，DCO±被用作回声时钟，选中回声时钟模式。

回声时钟模式

回声时钟模式下，CNV±上升沿启动转换，转换时间t_MSB=200ns（因此对应5MSPS采样率）。CNV±必须在 t C N V H = 0.6 × t C Y C t_{CNVH}=0.6\times t_{CYC} tCNVH​=0.6×tCYC​内拉低， t C Y C t_{CYC} tCYC​为采样周期（两个CNV上升沿间的时间）。

该模式使用全部LVDS对，DCO±为CLK±的缓冲，与D±同步，DCO+下降沿对应D±的更新。DCO最大比CLK延迟5ns，经典值为2ns延迟。host端（FPGA、单片机等）可通过DCO+的上升沿抓取D±的数据，由于DCO±上升沿对应数据的稳定状态，因此建议在此时进行数据读取，尽管在DCO±下降沿也是可以读取的。

注意，第16个CLK必须出现在转换阶段完成之前，即下一个CNV不能早于 C L K L a s t − t C L K L CLK_{Last}-t_{CLKL} CLKLast​−tCLKL​，其中 t C L K L = 160 n s t_{CLKL}=160ns tCLKL​=160ns，，否则会造成数据丢失。

在Last Data发送完成后（第16个CLK下降沿），到下一次转换结束之前，D±与DCO±均被拉到0。

在回声时钟模式下，CLK空闲位为0。

该模式下，host端仅需要维护一个16位移位寄存器，因此实现起来比较方便。

自时钟模式

自时钟模式不使用DCO±进行数据同步，而是使用数据头010进行同步。自时钟模式下，CLK空闲位为1。

在转换结束后，D±自动输出0，在CLK的前两个下降沿，1、0被输出锁存，其中第一个下降沿出现在CLK由空闲进入工作状态时。

与回声时钟模式类似，第18个CLK必须出现在转换阶段完成之前。

FPGA驱动与仿真

FPGA驱动：

/******************************FILE HEAD*********************************** file_name	: AD7961.v* function		: AD7961驱动* author		: 今朝无言* date			: 2022-04-15*************************************************************************/
module AD7961(
input				clk_100M,
input				rst_n,output	reg	[15:0]	data,
output	reg			out_available,	//上升沿指示数据可用input				D_p,			//LVDS Data Output
input				D_n,input				DCO_p,			//LVDS Buffered Clock Output
input				DCO_n,output				CLK_p,			//LVDS Clock input，type val: 4ns(250MHz)
output				CLK_n,output				CNV_p,			//LVDS Convert Input
output				CNV_n,output				EN0,			//Enable
output				EN1,
output				EN2,
output				EN3
);parameter N = 20; //t_CYC=N*T_100M，应大于200ns，所以N至少20//------------------------ Single --------------------------
wire	D;
wire	DCO;
wire	CLK;
reg		CNV;//----------------------- 配置EN0~3 -------------------------
assign {EN3,EN2,EN1,EN0}	= 4'b0001;
// X001，输入采样网络带宽28MHz    X101，带宽9MHz    XX11，休眠，对CNV无响应
// 更具体配置详见官方文档//------------------------- 采样 ----------------------------
reg	[15:0]	data_tmp	= 16'd0;
reg	[7:0]	state		= 8'd0;
reg			CS			= 0;       //CLK的使能信号always @(negedge clk_100M or negedge rst_n) beginif(!rst_n)beginCNV				<= 1'b0;data			<= 8'd0;out_available	<= 1'b0;CS			    <= 1'b0;state			<= 8'd0;endelse beginif(state<=15) beginCS			    <= 1'b1;			//产生16个CLKstate			<= state + 1'b1;if(state==0) beginCNV				<= 1'b1;		//启动转换endelse if(state>=5) beginout_available	<= 1'b0;		//无效数据读取标志CNV				<= 1'b0;		//CNV拉低endendelse if(state==16) beginCS			    <= 1'b0;state			<= state + 1'b1;endelse if(state==17) begindata			<= data_tmp;		//寄存数据state			<= state + 1'b1;endelse if(state==18) beginout_available	<= 1'b1;			//有效数据读取标志state			<= state + 1'b1;endelse if(state<N-1) begin				//等待state			<= state + 1'b1;endelse beginstate			<= 0;endend
endassign CLK    	= CS & clk_100M;always @(posedge DCO or negedge rst_n) beginif(!rst_n) begindata_tmp	<= 16'd0;endelse begindata_tmp[15:0]	<= {data_tmp[14:0], D};   //移位寄存end
end//-------------------- LVDS <-> Single -----------------------// Data In LVDS -> Single
IBUFDS #( .DIFF_TERM		("TRUE"),		// Differential Termination.IBUF_LOW_PWR	("FALSE"),		// Low power="TRUE", Highest performance="FALSE" .IOSTANDARD		("LVDS")		// Specify the input I/O standard
)
Data_In_IBUFDS(.O				(D),			// Buffer output.I				(D_p),			// Diff_p buffer input.IB				(D_n)			// Diff_n buffer input
);// DCO In LVDS -> Single
IBUFDS #( .DIFF_TERM		("TRUE"),.IBUF_LOW_PWR	("FALSE"),.IOSTANDARD		("LVDS")
)
DCO_In_IBUFDS(.O				(DCO),.I				(DCO_p),.IB				(DCO_n)
);// CLK Out Single -> LVDS    
OBUFDS #(.IOSTANDARD		("LVDS"),		// Specify the output I/O standard.SLEW			("FAST")		// Specify the output slew rate
)
CLK_Out_OBUFDS(.O				(CLK_p),		// Diff_p output.OB				(CLK_n),		// Diff_n output.I				(CLK)			// Buffer input 
);// CNV Out Single -> LVDS    
OBUFDS #(.IOSTANDARD		("LVDS"),.SLEW			("FAST")
)
CNV_Out_OBUFDS(.O				(CNV_p),.OB				(CNV_n),.I				(CNV)
);endmodule
//END OF AD7961.v FILE***************************************************

testbench:

`timescale 1ns/1psmodule AD7961_tb();//----------------------- 100MHz -------------------------
reg	clk_100M	= 1;
always #5 beginclk_100M	<= ~clk_100M;
end//------------------------ AD7961 ------------------------
reg 		rst_n;
wire [15:0]	data;
wire		out_available;
reg			D_p,D_n;
reg			DCO_p,DCO_n;
wire		CLK_p,CLK_n;
wire		CNV_p,CNV_n;
wire		EN0,EN1,EN2,EN3;AD7961 AD7961_inst(.clk_100M			(clk_100M),.rst_n				(rst_n),.data				(data),.out_available		(out_available),.D_p				(D_p),.D_n				(D_n),.DCO_p				(DCO_p),.DCO_n				(DCO_n),.CLK_p				(CLK_p),.CLK_n				(CLK_n),.CNV_p				(CNV_p),.CNV_n				(CNV_n),.EN0				(EN0),.EN1				(EN1),.EN2				(EN2),.EN3				(EN3)
);//-------------------------- tb --------------------------
initial beginrst_n	<= 0;#(100);rst_n	<= 1;AD_sim(16'd123);AD_sim(16'd54321);AD_sim(16'd2468);#(1000);$stop;
end//---------------------- 模拟一次AD采样 ---------------------
task AD_sim;input	[15:0]	data;integer i;beginwait(CNV_p);	//CNV+上升沿开始转换//#(200);			//转换时间200nsD_p		<= data[15];D_n		<= ~data[15];for(i=1; i<=16; i=i+1) beginwait(CLK_p);#(2);			//模拟DCO相对于CLK的延时，2nsDCO_p	<= 1;	//回声时钟DCO+-DCO_n	<= 0;wait(~CLK_p);#(2);DCO_p	<= 0;DCO_n	<= 1;if(i<16) beginD_p		<= data[15-i];	//DCO+-下降沿改变D+-D_n		<= ~data[15-i];endelse beginD_p		<= 0;	//输出完毕，D+-拉到0D_n		<= 1;endendend
endtaskendmodule

综合后时序仿真如下：