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AD9361多片同步设计方法_ad9361多芯片同步
作者：小小林熬夜学编程 | 2024-04-21 11:45:08
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ad9361多芯片同步
本文基于ZC706+FMCOMMS5的平台，介绍了多片AD9361同步的方法。并将该设计移植到自行设计的ZYNQ7035+4片AD9361(实现8路同步收发)的电路板上。
工程主要特点包括：
本设计采用纯逻辑的方式
1.4片AD9361组合，组成8通道发和8通道收
2.同步相位误差小于2度
3.实现了内部本振以及外部本振两种同步方式
4.外部本振方法同步校准时间小于3ms，内部本振同步校准时间小于450ms
5.工程采用纯PL实现，不需要PS参与
9361多芯片同步主要包括基带同步和射频同步两大块任务。其中基带采用AD9361自带的MCS功能实现。而射频同步分为两种方法，分别是内部本振法和外部本振法。
在正式介绍同步之前，先做一点准备工作，主要包括SPI驱动、AD9361初始化，外部本振芯片ADF5355的控制等。因为FMCOMMS5上两片9361以及ADF5355共用了SPI_CLK、SPI_DO、SPI_DI信号，所以还涉及到总线如何仲裁的问题。
SPI驱动
下面是FMCOMM5驱动的端口：
module fmcomms5_spi( input clk, input rst_n, //avalon interface input [2:0] cs, //[0]:AD9361_CHIP A;[1]:AD9361_CHIP B;[2]:ADF5355 input read, input write, input [9:0] address, input [27:0] writedata, output reg [7:0] readdata, output reg waitrequest, //SPI interface output reg spi_clk, output reg spi_csn0,//SPI_ENB_A output reg spi_csn1,//SPI_ENB_B output reg spi_csn2,//ADF5355_LE output reg spi_sdo, input spi_sdi );
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这个模块将SPI总线转换成了Avalon总线，cs[0]选通AD9361-chip0；cs[1]选通AD9361-chip1；cs[2]选通ADF5355。cs[2]具有最高优先级，cs[1]和cs[0]具有相同的优先级。通过控制cs，可以实现分时写ADF5355、以及读写AD9361的寄存器（支持同时写和分时读2片AD9361）。
时序如下图：
avalon_mux:avalon总线多路复用
avalon_mux最大的作用是隔离各个功能代码，使各个模块看起来像是在独占SPI总线一样。这样便于设计代码层次结构以及区分功能模块。使每个想访问SPI的代码块都只需要设计一个avalon master接口，然后接到avalon_mux这个模块的一个avalon slave接口上即可。模块端口定义如下：
module avalon_mux #(parameter ADDR_WIDTH=256,DATA_WIDTH=256) ( input clk, input rst_n, input [2:0] s0_cs, input s0_read, input s0_write, input [ADDR_WIDTH-1:0] s0_address, input [DATA_WIDTH-1:0] s0_writedata, output reg [DATA_WIDTH-1:0] s0_readdata, output reg s0_waitrequest, input [2:0] s1_cs, input s1_read, input s1_write, input [ADDR_WIDTH-1:0] s1_address, input [DATA_WIDTH-1:0] s1_writedata, output reg [DATA_WIDTH-1:0] s1_readdata, output reg s1_waitrequest, /* 此 处 有 省 略 */ input [2:0] s7_cs, input s7_read, input s7_write, input [ADDR_WIDTH-1:0] s7_address, input [DATA_WIDTH-1:0] s7_writedata, output reg [DATA_WIDTH-1:0] s7_readdata, output reg s7_waitrequest, output reg [2:0] m_cs, output reg m_read, output reg m_write, output reg [ADDR_WIDTH-1:0] m_address, output reg [DATA_WIDTH-1:0] m_writedata, input [DATA_WIDTH-1:0] m_readdata, input m_waitrequest );
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有了这个模块的加持，最终看到的代码结构类似于这样：
ad9361_init ad9361_init_inst0( .clk (clk ), .rst_n (rst_n ), .cs (init0_cs ), .read (init0_read ), .write (init0_write ), .address (init0_address ), .writedata (init0_writedata ), .readdata (init0_readdata ), .waitrequest(init0_waitrequest )); ad9361_init ad9361_init_inst1( .clk (clk ), .rst_n (rst_n ), .cs (init1_cs ), .read (init1_read ), .write (init1_write ), .address (init1_address ), .writedata (init1_writedata ), .readdata (init1_readdata ), .waitrequest(init1_waitrequest )); adf5355_init adf5355_init_inst( .clk (clk ), .rst_n (rst_n ), .cs (adf5355_cs ), .write (adf5355_write ), .address (adf5355_address ), .writedata (adf5355_writedata ), .waitrequest(adf5355_waitrequest )); avalon_mux avalon_mux_inst( .clk (clk ), .rst_n (rst_n ), .s0_cs (init0_cs ), .s0_read (init0_read ), .s0_write (init0_write ), .s0_address (init0_address ), .s0_writedata (init0_writedata ), .s0_readdata (init0_readdata ), .s0_waitrequest (init0_waitrequest ), .s1_cs (init1_cs ), .s1_read (init1_read ), .s1_write (init1_write ), .s1_address (init1_address ), .s1_writedata (init1_writedata ), .s1_readdata (init1_readdata ), .s1_waitrequest (init1_waitrequest ), .s1_cs (adf5355_cs ), .s1_read (adf5355_read ), .s1_write (adf5355_write ), .s1_address (adf5355_address ), .s1_writedata (adf5355_writedata ), .s1_readdata (adf5355_readdata ), .s1_waitrequest (adf5355_waitrequest ), .m_cs (m_cs ), .m_read (m_read ), .m_write (m_write ), .m_address (m_address ), .m_writedata (m_writedata ), .m_readdata (m_readdata ), .m_waitrequest (m_waitrequest )); //spi driver fmcomms5_spi fmcomms5_spi_inst( .clk (clk ), .rst_n (rst_n ), .cs (m_cs ), .read (m_read ), .write (m_write ), .address (m_address ), .writedata (m_writedata ), .readdata (m_readdata ), .waitrequest (m_waitrequest ), .spi_clk (SPI_CLK ), .spi_csn0 (SPI_ENB_A ), .spi_csn1 (SPI_ENB_B ), .spi_csn2 (ADF5355_LE ), .spi_sdo (SPI_DI ), .spi_sdi (SPI_DO ));
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其中两片AD9361的初始化、ADF5355的初始化都可以完全独立的设计实现，各个初始化模块只需要设计avalon的接口即可。而avalon接口到SPI就由avalon_mux和fmcomms5_spi 处理。
AD9361初始化
AD9361初始化相关内容见AD9361纯逻辑控制从0到1连载3-初始化模块以及相关文章。
ADF5355
有关ADF5355的配置可以参考下面代码：
/*初始化状态： 1.参数输入为40M，所有参考输入倍频分频器都设置为x1,使PFD = 40M 2.VCO输出3.66G,2分频输出，输出1.83G。对应9361的射频本振为915M 3. */ //reg0 parameter [0:0] AUTOCAL = 1; //autocal parameter [0:0] PRESCALER = 0; //预分频器值;0=4/5;1=8/9;预分频器会限制INT值，当P为4/5时， NMIN为23；当P为8/9时， NMIN为75。 parameter [15:0] INTEGER = 91; //3660/40 //reg1 parameter [23:0] FRAC1 = 8388608; //(3660 mod 40)*2^24 = 0.5*(2^24) //reg2 parameter [13:0] FRAC2 = 0; //14位辅助小数值(FRAC2) parameter [13:0] MOD2 = 1; //14位辅助模数值(MOD2),FRAC2为0，MOD2随便取个值 //reg3 parameter [0:0] SD_LOAD_RESET = 0; //禁用写入寄存器0时， Σ-Δ调制器复位。对于相位持续调整的应用，可能不希望这样做。因此，在此类情况下，可将1写入SD1位(DB30)以禁用Σ-Δ复位。 parameter [0:0] PHASE_RESYNC = 0; //要使用相位再同步特性， 必须置1。 parameter [0:0] PHASE_ADJUST = 0; //要在每次寄存器0更新时调整ADF5355的相对输出相位，应将PA1位(DB28)设为1。与再同步特性不同，该特性适用于连续调整相位的应用。 parameter [23:0] PHASE = 0; //不做连续相位调整，相位值设置为0 //reg4 parameter [2:0] MUXOUT = 3'b110; //101:analog lock detect;110:digital lock detect parameter [0:0] REF_DOUBLER = 0; //当RD2位(DB26)设置为0时，参考频率信号直接馈入10位R计数器，倍频器禁用。当此位设置为1时，参考频率加倍，然后输入10位R计数器。 parameter [0:0] RDIV2 = 0; //当RDIV2位(DB25)设置为1时， R计数器与PFD之间将插入一个二分频触发器，以扩大参考频率最大输入速率。该功能在PFD输入端提供50%占空比信号。 parameter [9:0] R_COUNTER= 1; //10位R计数器,可以细分输入参考频率(REFIN)以产生PFD的参考时钟。分频比范围是1到1023。 parameter [0:0] DOUBLER_BUF = 1; //双缓冲使能(写寄存器0后才生效) parameter [3:0] CURRENT_SETTING= 4'b0010; //为使杂散最低，推荐设置为0.9 mA。 parameter [0:0] REF_MODE= 1; //ADF5355支持使用差分或单端参考源。对于差分源，应将参考模式位(DB9)设为1；对于单端源，应设为0。 parameter [0:0] MUX_LOGIC = 1; //为了支持逻辑兼容性， MUXOUT可设置两个逻辑电平。U5位(DB8)设为0即选择1.8 V逻辑，设为1即选择3.3 V逻辑。 parameter [0:0] PD_POLARITY= 1; //如果使用无源环路滤波器或同相有源环路滤波器，应将DB7设置为1(正)。如果使用反相有源滤波器，应将其设置为0(负)。 parameter [0:0] POWER_DOWN = 0; //设置为1时，执行关断程序。 DB6设置为0时，频率合成器恢复正常工作。在软件关断模式下， ADF5355会保留寄存器中的所有信息。 parameter [0:0] CP_THREE_STATE= 0; //电荷泵进入三态模式。 DB5设置为0时，正常工作。 parameter [0:0] COUNTER_RESET= 0; //复位ADF5355的R计数器、 N计数器和VCO频段选择。当DB4设为1时， RF频率合成器N计数器、 R计数器和VCO频段选择复位。正常工作时， DB4应设置为0。 //reg5 parameter [27:0] REG5_RESERVED = 28'h0080000;//寄存器5中的这些位保留，必须按照图43所示设置，使用十六进制字0x0080000。 //reg6 parameter [0:0] GATED_BLEED = 0; //渗漏电流可用于改善相位噪声和杂散，但它对锁定时间可能有影响。选通渗漏位BL10 (DB30)设置为1时，可确保渗漏电流直到数字锁定检测置位逻辑高电平时才开启。注意， 此功能要求使能数字锁定检测。 parameter [0:0] NEGATIVE_BLEED = 1; //对于大多数应用，建议使用恒定负渗漏，因为它能改善电荷泵的线性度，从而降低噪声和杂散。要使能负渗漏，应向BL9(位DB29)写入1；要禁用负渗漏，应向BL9(位DB29)写入0。 parameter [0:0] FEED_BACK_SELECT = 1; //D13(位DB24)选择从VCO输出到N计数器的反馈。 D13设置为1时，信号直接从VCO获得。此位设置为0时，信号从输出分频器的输出获得。这些分频器使得输出可涵盖较宽的频率范围(3.4 GHz至6.8 GHz)。当计数器使能且反馈信号从其输出获得时，两个独立配置PLL的RF输出信号同相。分频反馈在需要对信号进行正干涉以提高功率的一些应用中很有用。 parameter [2:0] RF_DIVIDER_SELECT = 1; //初始化为1,2分频输出 parameter [7:0] CHARGE_PUMP_BLEED_CURRENT=7;//IBLEED值，值要确保4/N < IBLEED/ICP < 10/N，可优化器件的相位噪声和杂散水平。ICP前面设置为0.9mA了，N是PFD到VCO的倍频因子 parameter [0:0] MTLD = 0; //设置为1，则切断RF输出级的电源电流，直到数字锁定检测电路检测到器件实现锁定为止。 parameter [0:0] RF_OUTB = 0; //使能或禁用高频RF输出(RFOUTB)。 设置为0时，高频RF输出使能。 设置为1时，辅助RF输出禁用。 parameter [0:0] RF_OUTA = 1; //D3(位DB6)使能或禁用主RF输出(RFOUTA+/RFOUTA−)。 DB6设置为0时，主RF输出禁用。 DB6设置为1时，主RF输出使能。 parameter [1:0] RF_OUT_POWER = 2'b10; //D2和D1(位[DB5:DB4])设置主RF输出功率水平的值(参见图44)。0=-4dBm;1=-1dBm;2=2dBm;3=5dBm //reg7 parameter [0:0] LE_SYNC = 1; //设置为1时，位DB25确保加载使能(LE)沿与参考输入频率的上升沿内部同步。该同步可防止参考与RF分频器同时在参考频率的下降沿加载的罕见情况(可能导致锁定时间延长)。 parameter [1:0] LD_CYCLE_COUNT = 2'b00; //LD5和LD4(位[DB9:DB8])设置锁定检测电路连续计数多少周期后才将锁定检测置位高电平 parameter [0:0] LOL_MODE = 1; //对于可能会移除参考(REFIN)的固定频率应用，例如定时应用，应将LOL(位DB7)设置为1。标准锁定检测电路假设REFIN始终存在，但对于定时应用，情况可能并非如此。此功能通过将DB7设置为1来使能。 parameter [1:0] FRAC_N_LD_PRECISION = 2'b11;//LD3和LD2(位[DB6:DB5])设置小数N模式下锁定检测电路的精度。 LDP可设置为5 ns、 6 ns、 8 ns或12 ns。使用渗漏电流时，应使用12 ns。 parameter [0:0] LD_MODE = 0; //锁定检测模式(LDM)如果LD1(位DB4)设置为0，则每个参考周期由小数N锁定检测精度设置，如“小数N锁定检测计数(LDC)”部分所述。DB4设置为1时，各参考周期为2.9 ns长，这更适合整数N分频应用。 //reg8 parameter [27:0] REG8_RESERVED = 28'h102D402;//此寄存器中的这些位保留，必须按照图46所示设置，使用十六进制字0x102D402 //reg9 parameter [7:0] VCO_BAND_DIVISION = 17; //VC8至VC1(位[DB31:DB24])设置VCO频段分频时钟的值。用PFD/(频段分频× 16)确定此时钟的值，使得结果小于150 kHz。 parameter [9:0] TIMEOUT = 67; //TL10至TL1(位[DB23:DB14])设置VCO频段选择的超时值。此值用作其他VCO校准设置中的变量。 parameter [4:0] AUTOMATIC_LEVEL_TIMEOUT = 30; //保证(TIMEOUT × AUTOMATIC_LEVEL_TIMEOUT/PFD频率) > 50 µs parameter [4:0] SYNTHESIZER_LOCK_TIMEOUT = 12; //(TIMEOUT ×SYNTHESIZER_LOCK_TIMEOUT/PFD频率) > 20 µs //reg10 parameter [7:0] ADC_CLOCK_DIVIDER = 100; //PFD/((ADC_CLK × 4) × 2) < 100 kHz parameter [0:0] ADC_CONVERSION = 1; //AE2(位DB5)确保对寄存器10执行写操作后， ADC执行转换。建议使能这种模式。 parameter [0:0] ADC_ENABLE = 1; //AE1(位DB4)设置为1时， ADC上电以执行温度相关的VTUNE校准。建议总是使用该功能。 //reg11 parameter [27:0] REG11_RESERVED = 28'h0061300;//此寄存器中的这些位保留，必须按照图49所示设置，使用十六进制字0x0061300 //reg12 parameter [15:0] RESYNC_CLOCK = 0;//When not using phase resync, set these bits to 1 for normaloperation function [31:0] adf5355_lut; input [7:0] index; begin case(index) 8'd0 :adf5355_lut={4'hc,RESYNC_CLOCK,12'b0000_0100_0001}; 8'd1 :adf5355_lut={4'hb,REG11_RESERVED}; 8'd2 :adf5355_lut={4'ha,18'b00_0000_0011_0000_0000,ADC_CLOCK_DIVIDER,ADC_CONVERSION,ADC_ENABLE}; 8'd3 :adf5355_lut={4'h9,VCO_BAND_DIVISION,TIMEOUT,AUTOMATIC_LEVEL_TIMEOUT,SYNTHESIZER_LOCK_TIMEOUT}; 8'd4 :adf5355_lut={4'h8,REG8_RESERVED}; 8'd5 :adf5355_lut={4'h7,6'b000100,LE_SYNC,15'd0,LD_CYCLE_COUNT,LOL_MODE,FRAC_N_LD_PRECISION,LD_MODE}; 8'd6 :adf5355_lut={4'h6,1'b0,GATED_BLEED,NEGATIVE_BLEED,4'b1010,FEED_BACK_SELECT,RF_DIVIDER_SELECT,CHARGE_PUMP_BLEED_CURRENT,1'b0,MTLD,RF_OUTB,3'b000,RF_OUTA,RF_OUT_POWER}; 8'd7 :adf5355_lut={4'h5,REG5_RESERVED}; 8'd8 :adf5355_lut={4'h4,2'b00,MUXOUT,REF_DOUBLER,RDIV2,R_COUNTER,DOUBLER_BUF,CURRENT_SETTING,REF_MODE,MUX_LOGIC,PD_POLARITY,POWER_DOWN,CP_THREE_STATE,COUNTER_RESET}; 8'd9 :adf5355_lut={4'h3,1'b0,SD_LOAD_RESET,PHASE_RESYNC,PHASE_ADJUST,PHASE}; 8'd10:adf5355_lut={4'h2,FRAC2,MOD2}; 8'd11:adf5355_lut={4'h1,4'b0000,FRAC1}; 8'd12:adf5355_lut={4'hf,28'd0}; //delay 8'd13:adf5355_lut={4'h0,10'b0000000000,AUTOCAL,PRESCALER,INTEGER}; default:adf5355_lut=32'hffffffff; endcase end endfunction
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初始化的方法就是依次执行adf5355_lut这个函数列表的指令，比如第一条指令是写{RESYNC_CLOCK,12’b0000_0100_0001}到4’hc这个寄存器。
如果需要动态修改ADF5355的频率，则执行下面的命令列表即可:
function [31:0] cmd; input [7:0] index; begin case(index) 0 :cmd={4'ha,18'h00300,ADC_CLOCK_DIVIDER,ADC_CONVERSION,ADC_ENABLE}; 1 :cmd={4'h4,2'b00,MUXOUT,REF_DOUBLER,RDIV2,R_COUNTER,DOUBLER_BUF,CURRENT_SETTING,REF_MODE,MUX_LOGIC,PD_POLARITY,POWER_DOWN,CP_THREE_STATE,1'b1}; 2 :cmd={4'h6,1'b0,GATED_BLEED,NEGATIVE_BLEED,4'b1010,FEED_BACK_SELECT,lo_div,CHARGE_PUMP_BLEED_CURRENT,1'b0,MTLD,RF_OUTB,3'b000,RF_OUTA,RF_OUT_POWER}; 3 :cmd={4'h2,lo_frac2,lo_mod2}; 4 :cmd={4'h1,4'd0,lo_frac1}; 5 :cmd={4'h0,10'd0,1'b0,PRESCALER,lo_int}; 6 :cmd={4'h4,2'b00,MUXOUT,REF_DOUBLER,RDIV2,R_COUNTER,DOUBLER_BUF,CURRENT_SETTING,REF_MODE,MUX_LOGIC,PD_POLARITY,POWER_DOWN,CP_THREE_STATE,1'b0}; 7 :cmd={4'hf,28'd0}; 8 :cmd={4'h0,10'd0,AUTOCAL,PRESCALER,lo_int}; default:cmd=32'hffffffff; endcase end endfunction
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其中lo_div，lo_int，lo_frac1，lo_frac2，lo_mod2根据频率计算得出，具体计算方法由下面这个模块得到。
module adf5355_freq2param(
input clk,
input rst_n,
input [33:0] lo_freq,
output reg [2:0] lo_div,
output reg [15:0] lo_int,
output reg [23:0] lo_frac1,
output reg [13:0] lo_frac2,
output reg [13:0] lo_mod2,
output reg param_valid
);
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ADI如何介绍同步？
Synchronizing multiple AD9361 devices
源码
链接：https://pan.baidu.com/s/18k0Oh6zbDXcPZaQ1RG6f-A?pwd=uw7b
提取码：uw7b
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