AD9520高速時鐘發(fā)生器在5 Gs/s數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

蔡春霞，吳瓊之

（北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京100081）

高速系統(tǒng)時序設(shè)計中對時鐘信號的要求非常嚴(yán)格，因為所有的時序計算均以恒定的時鐘信號為基準(zhǔn)。在高速高分辨率的ADC電路中，如果忽略量化噪聲、熱噪聲、非線性誤差等的影響，僅考慮在時鐘抖動作用下的信噪比：

其中，J表示時鐘抖動，fin表示輸入信號頻率。由式（1）可知，信噪比與時鐘抖動密切相關(guān)[2]。采樣時鐘的微小抖動都將大大降低ADC轉(zhuǎn)換電路的信噪比，使其有效位減小，而采樣時鐘的偏移也將影響兩路ADC之間的正交一致性。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ADC在很大程度上決定了系統(tǒng)的整體性能，而它們的性能又受到時鐘質(zhì)量的影響，傳統(tǒng)時鐘電路已難以滿足系統(tǒng)要求的高速、低抖動的特性[3]，針對這種情況，文中提出一種新的解決方案，采用AD9520為5 Gs/s數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的高速ADC提供高質(zhì)量、低抖動、低相位噪聲的時鐘信號，最后給出測試結(jié)果和分析。了2個參考輸入端、1個參考時鐘倍頻器、1個參考時鐘R分頻器，1個整數(shù)N分頻器、1個VCO可編程驅(qū)動器、可調(diào)延遲線和均分為4組的12個LVPECL輸出，當(dāng)輸出頻率低于250 MHz時，1個LVPECL可當(dāng)作2個CMOS輸出。AD9520系列的每款芯片均可配合頻率高達(dá)2.4 GHz的外部VCO使用，內(nèi)部VCO頻率范圍為2.27～2.65 GHz，工作頻率可高達(dá)VCO最大頻率，且每組LVPECL輸出幅度可調(diào)2倍。

AD9520可選擇內(nèi)部VCO或者CLK作為要分配的時鐘信號源，當(dāng)內(nèi)部VCO被選為源，則必須使用VCO分頻器。當(dāng)CLK被選為源，如果CLK頻率低于最大的通道分頻輸入頻率1 600 MHz，則不需要使用VCO分頻器；否則，必須使用VCO分頻器來降低頻率，使之達(dá)到通道分頻器可接受的值。

通過對寄存器地址0x1E1＜1:0＞進(jìn)行設(shè)置來選擇哪一種作為時鐘源，參考頻率為REF1和REF2的任意一個，可以差分時鐘輸入，或者外接晶振。本設(shè)計采用內(nèi)部VCO作為時鐘源，內(nèi)部VCO與參考頻率之間的關(guān)系如式（2）所示：

1 低抖動、低相位噪聲鎖相環(huán)時鐘芯片AD9520

AD9520是ADI公司發(fā)布的系列時鐘產(chǎn)品，該系列集成

可編程的參數(shù)N、P、A、B、R使得VCO與參考頻率的組合變得靈活，設(shè)計簡便。一般情況下，R取值為1，P的取值需要根據(jù)輸出頻率來決定，B必須不小于3或選擇旁路（B=1），且B的取值要大于A。為了降低芯片的功耗和保護(hù)器件，AD9520提供2級安全關(guān)斷模式，一個是按組關(guān)斷，若組內(nèi)的3個LVPECL輸出均沒有使用，可以選擇；一個是組內(nèi)未使用的LVPECL輸出分別關(guān)斷。

芯片的所有配置主要是通過串行控制端口來設(shè)置。AD9520的串行控制端口允許對配置AD9520的所有寄存器進(jìn)行讀寫，支持單字節(jié)或多字節(jié)傳輸，以及MSB首傳或LSB首傳等傳輸格式，默認(rèn)為MSB首傳，可以配置為單一的雙向I/O引腳（SDIO）或2個單向I/O引腳（SDIO/SDO）。AD9520默認(rèn)處于雙向模式、長指令模式。串行控制端口由4條控制線組成，如表1所示。

表1 串行控制端口說明Tab.1 Description of serial control port

SCLK用于串行控制端口讀寫同步，在時鐘的上升沿寄存讀數(shù)據(jù)位，下降沿寄存寫數(shù)據(jù)位。SDIO可僅用作輸入（單向模式），也可用作輸入/輸出模式（雙向模式），AD9520默認(rèn)為雙向模式，本設(shè)計中AD9520工作在單向模式，通過設(shè)置寄存器0x000＜7＞可以完成相應(yīng)設(shè)置。通過拉低，來初始化對AD9520的讀寫操作。

AD9520的串行控制端口16位指令字如表2所示。

表2 串行控制端口16位指令字MSB首傳Tab.2 Serial control port，16-bit instruction word，MSB first

AD9520寫入一個16位指令字，為串行控制端口提供與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的信息，其中MSB位指明讀寫狀態(tài)（高為讀，低為寫），隨后2個位＜W1:W0＞指明傳輸?shù)淖止?jié)長度，最后13位指明從何處開始讀寫操作的地址＜A12:A0＞。＜A12:A0＞這13位選擇寄存器映射的地址來寫入或讀取數(shù)據(jù)，只有＜A9:A0＞位需要覆蓋AD9520使用的0x232寄存器范圍，＜A12:10＞位必須總是0 bit，對于多字節(jié)傳輸，該地址是起始的字節(jié)地址。

在MSB首傳模式，＜W1:W0＞指明數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量，如表3所示。

表3 傳送字節(jié)Tab.3 Byte transfer count

AD9520串行控制端口的寫時序如圖1所示。

圖1 串行控制端口寫時序16位指令字Fig.1 Serial control port write-MSB first,16-bit instruction,timing measurements

2 AD9520在5Gs/s數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖2所示為5 Gsps高速數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的原理框圖。所用ADC型號為EV8AQ160，8 bit采樣精度，內(nèi)部集成4路ADC，最高采樣率達(dá)5 Gsps，可以工作在多種模式下[4]。通過對ADC工作模式進(jìn)行配置，ADC既可以工作在采樣率為5 Gsps的單通道模式，也可以工作在采樣率為2.5 Gsps的雙通道模式。模擬輸入信號經(jīng)過BALUN型高頻變壓器完成單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換，通過ADC進(jìn)行采樣，然后把數(shù)據(jù)送入FPGA中作進(jìn)一步處理。本設(shè)計采用Xilinx公司發(fā)布的Virtex-6系列FPGA，具體型號為XC6VLX240T-1156C[5]。

2.1 時鐘模塊組成結(jié)構(gòu)

本設(shè)計中，AD9520的任務(wù)是給ADC提供一個2.5 GHz時鐘，而實現(xiàn)這一要求還須為VCO提供一個外部參考時鐘源，這里采用一個優(yōu)質(zhì)的10 MHz時鐘作為參考時鐘源。ADC在給FPGA傳輸數(shù)據(jù)的同時，也會輸出4路312.5 MHz的同步采樣時鐘，如圖2所示。

通過相應(yīng)寄存器的設(shè)置把內(nèi)部VCO配置為2.5 GHz、PDF頻率設(shè)置為10 MHz。要獲得滿意的PLL性能，需要對PLL進(jìn)行正確配置，外部的環(huán)路濾波的設(shè)計對PLL的正常工作至關(guān)重要。使用ADIsimCLK軟件通過輸入需要的參數(shù)可得到能使AD9520達(dá)到高質(zhì)量時鐘輸出的環(huán)路濾波結(jié)構(gòu)，環(huán)路帶寬默認(rèn)為100 kHz。由于環(huán)路帶寬不僅與參考時鐘源的性能有關(guān)系，而且還與AD9520所在硬件環(huán)境的參數(shù)有關(guān)系，所以環(huán)路帶寬須根據(jù)實際情況具體調(diào)節(jié)。PLL的外部環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，設(shè)置完成后，理論仿真得到的輸出時鐘相位噪聲如圖3（b）所示。本設(shè)計的環(huán)路濾波器參數(shù)設(shè)置為：C1=6 200 pF，R1=750 Ω，C2=470 pF，R2=1.5 kΩ，C3=220 pF。

圖3 PLL環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)及仿真輸出時鐘的相位噪聲Fig.3 Structure of PLL loop filter and phase noise of simulating output clock

2.2 寄存器配置

AD9520的配置必須通過載入控制寄存器來設(shè)置，只有在控制寄存器寫入適當(dāng)?shù)呐渲脜?shù)，以及按照正確的順序?qū)懭牒?，才能使得AD9520正常工作并且輸出要求的2.5 GHz時鐘。

內(nèi)部PLL使用外部環(huán)路濾波器來設(shè)置環(huán)頻寬，當(dāng)改變PLL的R、P、B、A等分頻器的值以及變換參考時鐘頻率源時，必須初始化VCO校準(zhǔn)，即需要對VCO進(jìn)行校準(zhǔn)以保證AD9520按照用戶的要求產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘，獲得最佳性能。

對于內(nèi)部VCO和時鐘分頻的應(yīng)用，需要使用如表4所示寄存器的設(shè)置。

由式（2）可知，N=P×B+A。

本設(shè)計中所用參考頻率fREF=10MHz，VCO頻率fVCO=2.5GHz，根據(jù)芯片的工作要求，VCO頻率應(yīng)該小于P預(yù)分頻器允許的最大頻率，因此在本設(shè)計中，P預(yù)分頻器的取值應(yīng)為16 dM或者32 dM，參考頻率既不進(jìn)行分頻，也不使用倍頻器，即R設(shè)置為1。取A為10，則由（2）式，B應(yīng)取15。以上分頻器的設(shè)置可以通過其對應(yīng)的寄存器設(shè)置完成。如表5所示。

使用內(nèi)部VCO，存在兩條可用的信號路徑，一條是VCO時鐘被送到VCO分頻器，接著經(jīng)過4個獨立的通道分頻器后輸出，另一條是不經(jīng)過VCO分頻器和通道分頻器，VCO時鐘直接遞到輸出管腳。由于本設(shè)計要求的輸出時鐘為2.5 GHz，而且通道分頻器的最大輸入頻率為1 600 MHz，因此將VCO時鐘直接遞到輸出管腳，此時2.5 GHz時鐘以50%占空比輸出。本設(shè)計中2.5 GH在的輸出管腳為OUT9，根據(jù)芯片使用要求將寄存器0x19B＜1＞設(shè)置為1b。為減小功耗和保護(hù)器件，其他未使用到的通道分頻器和對應(yīng)的輸出管腳選擇安全關(guān)斷模式。

表4 使用內(nèi)部VCO時寄存器設(shè)置Tab.4 Register settings when using internal VCO

表5 R和N（A，B，P）分頻器的設(shè)置Tab.5 Settings of R divider and N（A，B，P）divider

如前所述，為使AD9520正常工作，除了要在控制寄存器中寫入適當(dāng)?shù)膮?shù)，還要保證控制寄存器寫入順序的正確性。具體配置順序如圖4所示。

圖4 寄存器配置流程圖Fig.4 Register configuration flowchart

2.3 測試結(jié)果

極高速ADC（采樣率大于1 Gsps）需要低抖動的采樣時鐘，目的是為了維持一定的信噪比（SNR）。8位和10位轉(zhuǎn)換器最優(yōu)情況時的背景噪聲是由量化噪聲決定的[6]，對于一個N位ADC對一個滿幅正弦波進(jìn)行采樣時，SNR與有效位數(shù)之間的換算公式為：

為了測試時鐘對ADC的性能影響，需要獲得輸出數(shù)據(jù)的SNR。這里采用Xilinx公司ISE軟件中的ChipScope Pro工具將邏輯分析器、總線分析器和虛擬I/O小型軟件核直接插入到設(shè)計當(dāng)中，直接查看ADC輸出的數(shù)字信號，這些信號在操作系統(tǒng)速度下或接近操作系統(tǒng)速度下被采集，并從編程接口中引出，再將采集到的信號通過ChipScope Pro邏輯分析器進(jìn)行分析。

首先讓ADC工作在采樣率為5 Gs/s的單通道模式下，用特定的測試模式來檢驗ADC與FPGA之間的數(shù)據(jù)接口的準(zhǔn)確性。將測試程序下載到FPGA并運行后，用ChipScope Pro抓取ADC的輸出數(shù)據(jù)如圖5（a）所示。然后在單通道模式下不使用測試模式，輸入2 MHz的正弦信號，用ChipScope Pro抓取ADC的輸出數(shù)據(jù)如圖5（b）所示。

圖5 用ChipScope Pro抓取ADC的輸出數(shù)據(jù)Fig.5 Output data of ADC using ChipScope Pro to get

從圖5（a）中的數(shù)據(jù)可以看出，各個通道均以約定的格式輸出，說明ADC與FPGA之間數(shù)據(jù)接口已經(jīng)準(zhǔn)確連通。圖5（b），輸入正弦信號時用BUS PLOT工具將抓取到的數(shù)據(jù)實時畫圖，得到的波形平滑，計算其信噪比為42.9 dB，由式（3）計算得到ADC的有效位數(shù)為6.6 bit。實測表明，AD9520輸出的2.5 GHz時鐘具有較高的性能，整體指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

通過對AD9520輸出的時鐘應(yīng)用在ADC時測試得到正確的數(shù)據(jù)及波形，以及計算得到ADC有效位數(shù)為6.6 bit，表明AD9520的輸出時鐘具有較高的質(zhì)量，性能良好，并在5 Gsps高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中滿足應(yīng)用要求。

[1] Devices A.12 LVPECL/24 CMOS Output Clock Generator with Integrated 2.5 GHz VCO AD9520-1 Data Sheet[EB/OL].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9520-1.pdf

[2] 胡智宏，廖旎煥.高速ADC時鐘抖動及其影響的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（2）:85-88.HU Zhi-hong，LIAO Ni-huan.Research of high-speed ADC clock jitter and its effects[J].Microcomputer&its Applications，2011，30（2）:85-88.

[3] 胡廣洲，趙忠凱，司錫才.AD9516-3時鐘設(shè)計及在中頻數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用科技，2009，36（7）:28-32.HU Guang-zhou，ZHAO Zhong-kai，SI Xi-cai.The design of clock AD9516-3 and the application in IF digital systems[J].Applied Science and Technology，2009，36（7）:28-32.

[4] English E2V Corporation.EV8AQ160 QUAD ADC Data Sheet[EB/OL].http://www.e2v.com/assets/media/files/documents/broadband-data-converters/doc0846I.pdf.

[5] Xilinx Corporation.Virtex-6 series FPGA Data Sheets[EB/OL].http://www.xilinx.com.

[6] Catt J.高速A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘設(shè)計[R].美國國家半導(dǎo)體公司應(yīng)用注釋1558，2007.