作者：Philip Pratt

無(wú)論是設(shè)計(jì)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備還是汽車(chē)激光雷達(dá)模擬前端（AFE），使用現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)人員都面臨高頻輸入、輸出、時(shí)鐘速率和數(shù)字接口的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。問(wèn)題可能包括與您的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）相連、確信您的首個(gè)設(shè)計(jì)通道將起作用或確定在構(gòu)建系統(tǒng)之前如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最佳建模。

本文中將仔細(xì)研究這些挑戰(zhàn)。

快速的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

開(kāi)始新的硬件設(shè)計(jì)之前，工程師經(jīng)常會(huì)在自己的測(cè)試臺(tái)上評(píng)估最重要的芯片。一旦獲得了運(yùn)行典型評(píng)估板所需的設(shè)備，組件評(píng)估通常會(huì)在理想情況的電源和信號(hào)源下進(jìn)行。TI大多數(shù)情況下會(huì)提供車(chē)載電源和時(shí)鐘，以便您可使用最少的測(cè)試臺(tái)設(shè)備以及如圖1所示設(shè)置的更實(shí)際的電源和信號(hào)源來(lái)運(yùn)行電路板。

圖1：典型的ADC評(píng)估板

驗(yàn)證性能后，可將更完整的評(píng)估板的示意圖和布局作為那一部分子系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)部分子。我們的數(shù)據(jù)采集和模式生成工具支持CMOS、LVDS和JESD204，并附帶操作它們所需的軟件。為您的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用評(píng)估板用戶指南，可在不到10分鐘的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行大多數(shù)評(píng)估板。參見(jiàn)圖2。

圖2：TI的數(shù)據(jù)采集和模式生成的硬件和軟件

隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，您可能需要評(píng)估更廣范圍的用例。此時(shí)你可能會(huì)需要一塊評(píng)估板。如果您的評(píng)估需求變得復(fù)雜，則可使用Python、MATLAB、LabVIEW或C ++軟件通過(guò)設(shè)備評(píng)估板、采集卡解決方案和測(cè)試臺(tái)設(shè)備直接與設(shè)備通信。我們支持板的一些很好的示例包括用于LVDS/CMOS的TSW1400EVM以及用于支持JESD204B串行器-解串器（SerDes）協(xié)議設(shè)備的TSW14J56EVM，如圖3所示。

圖3：TI的用于JESD204B數(shù)據(jù)采集或模式生成的TSW14J56EVM

TI還支持單臺(tái)PC上的有多評(píng)估模塊原型的完整系統(tǒng)級(jí)模型。例如，通過(guò)將KCU105或VCU118等Xilinx FPGA開(kāi)發(fā)套件連接到多個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）或數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），可同時(shí)測(cè)試發(fā)送和接收通道。

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FPGA連通性以及JESD204B和JESD204C

您可能要解決的最大問(wèn)題之一是如何在FPGA中獲取數(shù)據(jù)。盡管LVDS和CMOS是簡(jiǎn)易接口，但它們?cè)谠O(shè)備上每個(gè)管腳上支持的速度極其有限。隨著更新型的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器更普遍地支持》 1 GSPS的輸入或輸出速率，這些接口要么失去市場(chǎng)，要么使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。

為微電子行業(yè)制定開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的JEDEC創(chuàng)建了JESD204，通過(guò)支持超過(guò)12.5 Gbps的差分對(duì)通道速率來(lái)解決此問(wèn)題。但盡管JESD204最大限度地減少了管腳數(shù)量，但它通過(guò)對(duì)并行數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和串行化或反序列化和解碼增加了接口復(fù)雜性。

到目前為止，您不得不主要依靠JESD204知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）塊和FPGA供應(yīng)商提供的支持。盡管這些IP塊可很好地工作，但它們以支持任意配置的任何設(shè)備的方式提供。這意味著很難為您的特定用例進(jìn)行了解和配置。您需要花費(fèi)大量精力自己設(shè)計(jì)IP，或從第三方IP提供商那里尋求IP。但如果出現(xiàn)問(wèn)題，第三方IP將需要在實(shí)現(xiàn)方面提供幫助和支持。

TI自有的JESD204快速設(shè)計(jì)IP可針對(duì)您的FPGA平臺(tái)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和JESD204模式進(jìn)行預(yù)配置和優(yōu)化。我們的IP需要更少的FPGA資源，同時(shí)還可針對(duì)每種特定用途進(jìn)行定制。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)JESD204鏈接僅需數(shù)小時(shí)或數(shù)天，而非數(shù)周或數(shù)月的時(shí)間。

設(shè)備模型

隨著直接射頻（RF）采樣和超快SerDes與高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)合變得越來(lái)越普遍，對(duì)RF和信號(hào)完整性進(jìn)行建模的能力已成為成功通過(guò)首次設(shè)計(jì)的必要條件。傳統(tǒng)上講，大多數(shù)供應(yīng)商僅為S參數(shù)模型中的ADC提供輸入阻抗信息，但TI的ADC12DJ3200、ADC12DJ5200RF和ADC12QJ1600-Q1高頻輸入器件的目標(biāo)是高達(dá)8 GHz的采樣頻率，現(xiàn)在具有包含阻抗和頻率響應(yīng)信息的S參數(shù)模型。

使用此新模型，您可模擬預(yù)期的設(shè)備行為并優(yōu)化阻抗匹配。TI的策略是在支持極高的輸入和輸出頻率的設(shè)備上提供這些模型，而阻抗匹配和實(shí)現(xiàn)所需的頻率響應(yīng)則更具挑戰(zhàn)性。

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口側(cè)，輸入/輸出緩沖區(qū)信息規(guī)范（IBIS）是一種通用模型，可為CMOS和LVDS管腳提供物理層信息以及DC和AC類(lèi)型的行為。對(duì)于大多數(shù)使用高速JESD204 SerDes的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這些模型已改進(jìn)為IBIS-算法建模接口（AMI），其中包括有助于應(yīng)用均衡和預(yù)加重或后加重的有用信息。IBIS-AMI提供您所需的建模功能，使您首次即可正確使用電路板，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的誤碼率、信號(hào)完整性和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈路。圖4所示為RF（綠色）和數(shù)字接口（藍(lán)色）模型。

圖4：接口建模

結(jié)論

無(wú)論您使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)已有一段時(shí)間，還是對(duì)高速設(shè)計(jì)還不太熟悉，都不用擔(dān)心，因?yàn)門(mén)I正設(shè)計(jì)易于使用的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。我們構(gòu)建了一個(gè)可簡(jiǎn)化所有工作的完整開(kāi)發(fā)環(huán)境，如圖5所示。

利用可輕松實(shí)現(xiàn)FPGA集成的現(xiàn)成IP、精確的RF系統(tǒng)模型以及市場(chǎng)上穩(wěn)健的一組靈活、可擴(kuò)展和可自動(dòng)化的評(píng)估模塊，您可縮短幾個(gè)月的固件開(kāi)發(fā)時(shí)間、減少昂貴的設(shè)計(jì)周期并加快從概念到原型的高速設(shè)計(jì)。

圖5：典型的高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）評(píng)估環(huán)境