原创 ALTERA Cyclone 10器件的使用-6：LVDS差分ADC使用

概述

SiPM测试系统的信号处理板使用了ADI的单片4通道的高速差分ADC信号，所以FPGA需要通过LVDS接口来收取差分高速ADC送出的差分串行数据。

本文讨论FPGA如何例化LVDS模块，以及几种用来收取外部ADC采样后送来的高速差分串行数据。

10代器件LVDS实例化界面

在Intel的10代器件中有Arria、Cyclone、MAX以及Stratix几种，我们使用的是Cyclone系列10代GX产品。

图1：LVDS模块例化界面

如图1所示为LVDS例化界面，具体使用方法可以参考1“LVDS SERDES Intel FPGA IP User Guide”。这里给出LVDS SERDES通道结构框图，如图2所示。图2下半部分展示的RX通道是本文着重要关注的部分。

图2：Cyclone 10 GX系列器件LVDS Serdes通道结构框图

高速差分ADC数据引入FPGA的方法

高速差分ADC采样后串行数据、时钟以及帧同步总线接入FPGA的方法大致分为以下几种，不同的方法使用的场合有些微差别。

• 方法一：每个ADC单独将DCO和FRAME接入FPGA，此时不需要RX PLL，DCO必须使用专用时钟引脚。
• 方法二：每个ADC的FRAME接入FPGA，FRAME必须接专用时钟引脚，使用PLL通过FRAME在内部产生串行高速时钟。
• 方法三：如果预期到每个ADC之间布线延时差异足够小，此时所有ADC芯片可以使用同一组DCO和FRAME。
• 方法四：如果无法预估各ADC之间延时差异，又不想使用方法一和方法二，此时可以使用软CDR在初始阶段生成训练码。需要将ADC的SPI接口连接到FPGA。

根据不同的使用场景，又存在下述几种划分：

场景1：类似上述方法一

举个最简单的例子，当FPGA仅处理一个ADC时，FPGA单个bank就可以处理，ADC的所有必要和非必要的信号都可以连接到FPGA。如此，就可以确保安全可靠地接收ADC的采样数据。

此场景的其它例子，比如FPGA需要处理多个ADC的时候，此时可能分为不同情况，属于本场景的情况是FPGA有足够的bank来处理所有ADC，即每个BANK仅处理一个ADC。此时可以按照单个ADC的方法处理。单个bank如果LVDS端口足够，也可以处理多个ADC，但是单个bank仅接一路DCO到时钟引脚。

场景2：多个ADC需要处理，LVDS端口不足

此时为了省略出足够的LVDS端口给串行数据，可以多个ADC共享同一个DCO时钟，此时也省时钟引脚与PLL，有时候可能是时钟引脚或内部PLL不够。

场景3：多个ADC需要处理，时钟引脚不足

此时FPGA没有足够的时钟引脚接收来自ADC的DCO或FRAME，此时可以将DCO接入到普通的LVDS差分对端口，用本地时钟作为LVDS参考时钟，DCO当普通数据，然后根据DCO跳变去取ADC数据。

场景4：多个ADC需要处理，时钟引脚不足的同时，LVDS端口也不足

此时，DCO完全可以连接到FPGA，当异步处理，通过过采样，本地恢复DCO。

以上四种使用场景，风险从场景1到场景4依次递增。

参考

1. LVDS SERDES Intel FPGA IP User Guide: Intel Arria 10 and Intel Cyclone 10 Devvices.