AD9653调试笔记
一、 简介
AD9653是ADI公司于2012年推出的一款四通道、16位、125MSPS模数转换器，内置片内采样保持电路，专门针对低成本、低功耗、小尺寸和易用性设计。该产品转换速率最高可达125MSPS，具有接触的动态性能与低功耗特性，对小封装尺寸的应用很有意义。
二、 研究目的
目前在导航领域，小型化、低功耗、国产化一直是国内的研究方向。
1、 占板面积小
一片AD9653拥有四个通道。由于是采用串行输出的方式，AD9653的封装为LFCSP-48。相较于主流使用的并行AD（AD9269、AD9650）的LFCSP-64封装面积减少了约40%。且由于AD9653为四通道串行，仅需两片芯片，16根数据线，即可实现八通道。而是用并行AD则需四片芯片，64根数据线。
2、 功耗低
表2-1给出了几种AD的功耗参数。
表2-1 不同AD的详细功耗参数
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AD9269 |
AD9650 |
YA16D80S |
BLAD16D80S |
AD9653 |
BLAD16Q125 |
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工作模式 |
并行 |
并行 |
并行 |
并行 |
串行 |
串行 |
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直流输入功耗 |
200mW |
656mW |
520mW |
477mW |
607mW |
610mW |
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正弦输入功耗 |
230mW |
663mW |
540mW |
530mW |
650mW |
630mW |
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待机功耗 |
37mW |
50mW |
80mW |
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356mW |
48.6mW |
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掉电功耗 |
1mW |
0.25mW |
5mW |
10mW |
2mW |
10.8mW |
由上表的统计数据可以看出，两片AD9653的功耗略大于四片AD9269，但是不到四片AD9650功耗的一半。因此在八通道的应用中，相较于使用并行方案，仅从AD看可以减少1W的功耗。
3、 采样速率高
AD9653采样速率为125MSPS，在中频采样中可以提供足够的带宽。
4、 国产化
AD9653有国产化替代器件BLAD16Q125，是上海贝岭生产的PIN TO PIN芯片。封装、引脚定义与AD9653相同，能够直接替换AD9653。在国产化项目上可直接替换AD9653，无需二次开发。
三、 硬件设计
本文硬件设计部分主要针对明德扬mdyAD9653FMC板卡来介绍。其主要功能如下：
➢ 搭载两片 ADC 芯片，支持 ADI、上海贝岭、北京时代民芯科技、中电 24 所
等生产的芯片，完全 PIN 对 PIN 兼容；
➢ 共支持 8 通道同步输入；
➢ 支持 16 位采样分辨率；
➢ 支持最高 125MSPS 的采样率；
➢ 支持内外部时钟自动切换；
➢ 板载一片 10MHz/0.5ppm 的温补晶振；
➢ 集成了时钟分部芯片 AD9517-1，配合相应的 FMC 载板能完成多通道宽带
信号采集；
➢ 适用于医疗超声和 MRI、高速成像、正交无线电接收机、分集无线电接收机、
测试设备、雷达、卫星导航等多种应用场合。
图3-1和3-2为硬件方案框图。具体分为以下几个部分。
图3-1 mdyAD9653FMC板卡硬件方案框图
图3-2 mdyAD9653FMC板卡电源方案框图
1、 AD采样电路
AD信号输入端电路如图3-2所示：
图3-2 AD信号输入端电路
中频信号通过巴伦将单端转为差分送入AD9653。手册中使用的巴伦匝数比为1:1，而经过实际的测试及理论分析，发现1:2的巴伦能够有效地降低级联噪声系数。巴伦后级的阻容器件要根据手册提供的电路进行配置。如图3-2所示：
图3-2 AD9653单巴伦单端转差分电路
参考电压使用用外部1.25V，使用的是ADR127，可以和ADR130（1V参考）互换。这样可以确保在使用1:2巴伦时，AD的满幅为10dBm。表3-1为AD满幅测试数据：
表3-1 AD满幅测试数据
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通道 |
CH1 |
CH2 |
CH3 |
CH4 |
CH5 |
CH6 |
CH7 |
CH8 |
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信号源功率 |
9.9dBm |
9.9dBm |
9.9dBm |
9.9dBm |
9.9dBm |
9.9dBm |
9.9dBm |
9.9dBm |
2、 时钟电路
采用AD9517-1作为抗干扰板的主时钟源。FMC板输入参考时钟为62MHz，之后由9517分别为两片AD以及FPGA提供62MHz时钟。其中，两片AD输出的FCO和DCO信号均连接至FPGA，作为数据时钟和帧同步时钟。图3-3和3-4分别为LVEPCL和LVDS接口的时钟匹配电路。
图3-3 LVPECL接口时钟驱动电路
图3-4 LVDS接口时钟驱动电路
四、 驱动程序设计
这里主要介绍ADC的驱动。
AD9653是4通道、16位、125 MSPS高速串行LVDS模数转换器。该ADC会自动倍乘采样速率时钟，以便产生合适的LVDS串行数据速率。它提供一个数据时钟输出（DCO）用于在输出端捕获数据，以及一个帧时钟输出（FCO）用于发送新输出字节信号。每一个通道都拥有两组LVDS差分数据线，在默认模式下分别串行传输偶数位和奇数位数据。图4-1是AD9653在默认工作模式下的时序图：
图4-1 默认模式下的时序图
Fs为62MHZ，在DDR模式下，DCO为248MHz，FCO为62MHz。因此时序调整在设计中格外重要。
AD9653共有两种驱动方式：一种是利用测试码来进行同步操作，然后切换到正常工作模式继续运行；另一种是利用帧同步信号直接锁定每一帧数据。下面对使用测试码对齐的方式简称Bitslip模式，对使用帧同步信号对齐的方式简称FCO模式。
1、 Bitslip模式
Bitslip模式的工作原理是通过SPI配置先让AD工作在测试模式，在这个模式下，AD的每一个通道会重复输出测试码（A19C）。FPGA读取每一通道的数据并进行移位调整和串并转换。当所有通道都对齐后，再次通过SPI配置AD使其退出测试模式，这样移位信息将得到保留，因此输出的AD数据就是正确的。该工作方式的架构如图4-2所示：
图4-2 Bitslip模式程序架构
然而这种工作方式有一个缺点。不难发现，对齐工作仅发生在系统上电之后，一旦对齐，就没办法在让AD回到测试模式。这样就会造成一个问题：系统刚上电时，板子温度低，工作一段时间后板子温度上升。时钟以及已配置好的ISERDESE模块随着温度的升高会发生飘移，但是这时已经不能再次进入测试模式进行对齐。因此就会出现上电时间越长，噪声系数越大的现象。所以没办法满足高低温工作的需求。
2、 FCO模式
FCO模式的工作原理为将DCO和FCO同时输入到模块内，通过DCO来捕获数据，然后通过FCO来对齐数据，之后再进行串并转换。该工作模式的架构如图4-3所示：
首先，DCO与FCO信号通过IDDR_FCO模块，以DCO为参照进行对齐。同时，对四个通道共八组差分数据信号以DCO为参照对齐。之后在DESER模块中根据FCO上升沿的位置将数据分组，输出8位并行数据，共八组。最后通过DEFRAMER模块将每个通道的数据合并，输出16位的AD数据。
此工作模式避免了Bitslip模式不能依照温度修正的问题，由于使用的是AD芯片的FCO信号作为帧同步的参考，每通过一组数据，就能实现一次对齐，这样就不会受温度的影响。实际测试中也发现温度升高后，级联噪声系数很稳定。
另一个优点就是该工作模式可以兼容上海贝岭的BLAD16Q125芯片。由于贝岭AD的测试码为0x8000，而AD9653的测试码为0XA19C，因此Bitslip模式需要更改程序才能在贝岭的AD上使用。
图4-3 FCO模式程序架构
3、 时钟网络设置
以FCO模式为例，该模式的时钟树如图4-4所示：
图4-4 FCO模式时钟树
在FCO模式下，两片AD不在同一个时钟网络下，而是各自使用一个MMCM模块。AD的DCO输出作为MMCM模块的输入，生成一个62MHz信号作为AD数据采集、上下变频和DA输出的时钟，以及一个248MHz信号作为AD的新DCO时钟，以其作为参照，对齐FCO和数据。
4、 时序调整
同样以FCO模式为例，时钟约束如图4-5所示：
图4-5 FCO模式下时钟约束
由于令MMCM输出的248MHz时钟的相位为90°，AD数据的延时时间设定为：min=2.437ns，max=2.470ns。部分AD时序约束如图4-6所示：
图4-6 部分AD时序约束
输出时序约束如图4-7所示：
图4-7 输出时序约束
五、 单板测试
本测试实例是在明德扬MP5620开发板与mdyAD9653FMC板卡上实现。
1、 满幅测试
测试条件为：
巴伦匝数比：1:2；参考电压：外部1.25V；AD位数：16bits
测试结果如表5-1所示：
表5-1 满幅测试结果
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通道 |
CH1 |
CH2 |
CH3 |
CH4 |
|
信号源功率 |
9.8dBm |
9.8dBm |
9.8dBm |
9.8dBm |
|
信号源峰峰值 |
1.954V |
1.954V |
1.954V |
1.954V |
|
AD量化值 |
32768 |
32768 |
32768 |
32768 |
测试结果与理论值10dBm/2V Vpp差0.2dBm/0.046V Vpp，考虑到线损等因素误差在允许范围内。
2、 AD信噪比测试
四通道的频谱分别如图5-2、5-3、5-4、5-5所示：
图5-2 CH1频谱
图5-3 CH2频谱
图5-4 CH3频谱
图5-5 CH4频谱
四通道测试结果如表5-2所示：
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通道 |
CH1 |
CH2 |
CH3 |
CH4 |
|
采样频率 MHz |
62MHz |
62MHz |
62MHz |
62MHz |
|
采样点数 |
65536 |
65536 |
65536 |
65536 |
|
SNR dB |
76.893 |
76.953 |
76.607 |
77.047 |
|
SNRFS dB |
78.157 |
78.044 |
77.738 |
78.172 |
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主瓣功率 dB |
-1.263 |
-1.091 |
-1.130 |
-1.125 |
|
主瓣频率 MHz |
10.69 |
10.69 |
10.69 |
10.69 |
|
每Hz噪声 dBFS/Hz |
-153.07 |
-152.958 |
-152.651 |
-153.086 |
通过软件对AD9653进行仿真，频谱如图5-6所示：
图5-6 AD9653仿真频谱
仿真数据如图5-7所示：
图5-7 AD9653仿真数据
实测SNR比仿真小了约1.9dB，实测每赫兹噪声比仿真小了约1.8dB。由此可见本设计已基本发挥出AD9653的性能。
3、 AD噪声系数计算
根据AD噪声系数计算公式：
每通道噪声系数如表5-3所示：
表5-3 每通道AD噪声系数
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通道 |
CH1 |
CH2 |
CH3 |
CH4 |
|
NF |
30.743dB |
30.856dB |
31.162dB |
30.728dB |
图5-8 级联噪声系数计算方法
六、 总结
本文详细介绍了AD9653的硬件、软件设计方法，以及ADC的增益、噪声系数测量手段。配合明德扬的MP5620+mdyAD9653FMC平台，可以大大缩短设计周期，直接进行软件开发。也能在该平台对国产器件进行性能上的对比验证。
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