LVDS接口设计及应用(1)——以AD9253为例

 因为是从项目出发，所以这里我就拿市面上应用比较广泛的AD9253为例，来重新回顾一下我的设计过程。

1、芯片简介

在应用前先简要了解一下这颗芯片，其功能框图如下所示：

由框图可以看出，AD9253是一颗14位分辨率，最高可达125M采样率的四通道高速ADC，工作电压为1.8V，分为模拟供电AVDD和数字供电DRVDD。高速ADC常用于通信系统当中，一般比较关注交流性能，AD9253信噪比为75.3dBFs，无杂波动态范围为98dBc，是极其优秀的水平，当然实际应用中选型还要关注功耗成本等，与实际项目综合考虑。

其硬件应用电路主要由以下几个部分组成：

1）供电，要注意电源噪声要尽可能小，否则会影响ADC性能，2）前端差分输入，前端单端转差分可以通过全差分运放、变压器和巴伦实现，为了实现最佳性能，一般使用双巴伦电路尽可能减小相位不平衡，3）差分时钟输入，时钟的关键指标在Jitter，时钟Jitter会显著影响信噪比，如下图所示：

4）数据输出接口，这颗ADC的数据输出用的就是LVDS接口，该接口具体时序下一节再细说，5）控制接口，主要是控制ADC内部寄存器的读写，对ADC进行配置，AD9635采用的是三线制SPI通信，分别为CS片选，SCLK时钟，SDIO数据输入输出，SPI通信可以在FPGA中实现SPI模块，这个有很多参考代码，我的项目中应用的是MicroBlaze进行控制，这用起来比较方便清晰。

针对硬件电路的设计主要还是多实验多总结，常常是一个电容改变了几pF，性能就改变了几个dB。

2、如何通过7系列FPGA实现LVDS高速ADC接口

2.1、应用LVDS串行接口的原因

LVDS串行接口中有三个关键词，低压，差分和串行。首先是为什么选择串行，其实在ADI官网也可以找到一些LVDS并行接口的ADC，但当采样率进一步提高，LineRate进一步提高，全部选用的都是串行数据输出，串行通信在物理上减少了走线，同时相比于并行传输在时序上更宽裕，只需要差分对内的等长，时钟和数据之间的等长要求不高，这个在写FPGA驱动时就有体现。然后是低压，电压摆幅更低时，信号的上升时间更小，高速传输时在板材等条件一致时，即通道带宽一致时，能传输的信号频率更高，信号带宽在经验上一般是0.35/上升时间。对于低压，有两个标准，即LVDS-ANSI标准，信号压差为700mv，和LVDS-IEEE标准，信号压差为400mv。最后差分的应用是用于抑制共模干扰，差分走线在高速应用中基本已经是必须的了。下图是AD9253 LVDS输出眼图示例。

2.2、LVDS时序说明

下图是AD9253的输出时序图：

时序图中ADC对VIN±x输入的信号进行模数转换，转换的码值经过并转串从DATA引脚输出，输出接口中通过DCO指示串行clock，通过FCO指示数据帧。DCLK的频率由ADC的Sample Rate，Resolution，输出Lane数和DDR还是SDR传输模式决定，以125Msps，14Bit，SDR传输，2个Lane为例，DCLK计算示例如下所示：

那么，在875MHz频率下的DCO下，在每个DCO的上升沿输出一位数据，FCO作为一个数据帧，在每个上升沿输出一个新的转换码值。由于AD9253为14BitADC，时序图中每个FCO下输出16位数据，那么两个Lane的情况下，当配置为BITWISE MODE，数据在两个Lane上交叉输出，舍弃最低位，当配置为BYTEWISE MODE时，在第一个Lane上输出BIT0-BIT6，舍弃低两位，在第二个Lane上输出BIT13-BIT7。

有个细节点，可以看到当VIN转换第N个数据时，DATA输出第N-17个数据，这是Pipeline型ADC的特点，其内部一般分为为多级转换，每级一般为Flash型ADC，同时并串转换也会加入delay，在两者的影响下，转换的数据时，经过17个CLOCK后才从ADC输出。

2.3、为什么要用ISERDESE2进行串并转换

首先FPGA内部是并行运行的，为此AD9253驱动程序的核心就是对LVDS串行输出的DATA进行串并转换。相信初学者对于串并转换想到的就是在每个CLOCK边沿进行移位，但是通过上面对DCLK的计算可以看到，在875Mclock下该方式已经不是时序不满足了，而是时序爆炸，这个我会在跨时钟域处理中介绍时序报告的查看，并以400MHz和200MHzclock为例进行对比。基于此原因，Xilinx FPGA中集成了SelectIO资源，其中有专用的串并转换模块ISERDESE2，如下图所示：

基于此模块，无需复杂操作即可实现高速串行数据采集工作。时间原因，这周写一些介绍性内容，下周按照以下目录实现LVDS接口程序设计。

2.4、LVDS接口程序设计框架及仿真

2.4.1、ISERDES2原语介绍

2.4.2、采样clock程序设计

2.4.3、帧同步程序设计

2.4.4、数据采集程序设计

2.4.5、TestBench写LVDS时序及仿真结果