文章目录
- 一、AD7606介绍
- 二、AD7606采集原理
- 2.1 AD7606功能框图
- 2.2 AD7606管脚说明
- 三、AD7606并行模式时序分析以及实现
- 3.1 并行模式时序图
- 3.2 并行模式时序要求
- 3.3 代码编写
- 3.4 仿真观察
- 四、AD7606串行模式时序分析以及实现
- 4.1 串行模式时序图
- 4.2 串行模式时序要求
- 4.3 代码编写
- 4.4 添加仿真模型以及观察
一、AD7606介绍
AD7606有三种，分别有8个、6个或4个通道，采样深度有16位（即最小采样的电压为5V/(2^16) = 0,00007V，实际上达不到）；采用5V单电源供电，可以处理±10V 和±5V 真双极性输入信号；具有内部的2.5V基准电压；同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样，提供过采样功能以及串行输出和并行输出两种模式；广泛用于低速采集场景。
二、AD7606采集原理
下图为AD7606-8的芯片封装图：
2.1 AD7606功能框图
下图为AD7606-8内部的功能框图：
ADC工作原理：采样：对模拟值进行采样 -> 保持：将开关保持一段时间以将电容充电到采集电压值 -> 量化 编码：将电压值转化为数字量。
2.2 AD7606管脚说明
7606的管脚很多，我们选一些重要的管脚来说明：
| 管脚名称 | 描述 |
| AVcc | 模拟电压源，4.75V至5.25V |
| AGNG | 接地 |
| OS[2:0] | 过采样模式引脚。逻辑输入。这些输入用来选择过采样倍率。OS2为MSB控制位，OS0则为LSB控制位。 |
| PAR(低电平有效)/SER/BYTE SEL | 并行/串行/字节接口选择输入。如果此引脚与逻辑低电平相连，则选择并行接口。如果此引脚与逻辑高电平相连，则选择串行接口 |
| RANG | 模拟输入范围选择输入，如果此引脚与逻辑高电平相连，则所有通道的模拟输入范围为+10V。如果此引脚与逻辑低电平相连，则所有通道的模拟输入范围为+5 V |
| CONVST A / CONVST B | 启动转换信号，CONVST A启动通道1，2，3，4；CONVST B启动通道5，6，7，8 |
| RESET | 复 位 输 入 。 当设 置 为 逻 辑 高 电 平 时 , RESET上 升 沿 复 位；RESET高脉冲宽度典型值为50ns。如果在转换期间施加RESET脉冲，转换将中断。如果在读取期间施加RESET脉冲， 输出寄存器的内容将复位为0。 |
| RD(低电平有效)/SCIK | 选择并行接口时为并行数据读取控制输入(RD_)/选择串行接口时为串行时钟输入(SCLK)。在并行模式下， 如果CS_和RD_均处于逻辑低电平， 则会启用输出总线。在串行模式下， 此引脚用作数据传输的串行时钟输入。CS_下降沿使数据输出线路DoutA和DoutB脱离三态， 并逐个输出转换结果的MSB。SCLK上升沿将随后的所有数据位逐个送至串行数据输出DoutA和DoutB。 |
| CS | 片选。此低电平有效。在并行模式下， 如果CS和RD均处于逻辑低电平， 则会使能输出总线DB[15:0]。在串行模式下， CS使能串行数据帧传输， 并逐个输出串行输出数据的最高有效位(MSB)。 |
| BUSY | 输出繁忙信号。CONVST A和CONVST B均达到上升沿之后， 此引脚变为逻辑高电平， 表示转换过程已开始。BUSY输出保持高电平， 直到所有通道的转换过程完成为止。BUSY下降沿表示转换数据正被锁存至输出数据寄存器， 经过时间t₄之后便可供读取。在BUSY为高电平时执行的数据读取操作应当在BUSY下降沿之前完成。当BUSY信号为高电平时, CONVST A或CONVSTB的上升沿不起作用。 |
| FRSTDATA | FRSTDATA输出信号指示何时在并行、字节或串行接口上回读第一通道V1。在并行模式下， 与V1结果相对应的RD下降沿随后将FRSTDATA引脚设为高电平， 表示输出数据总线可以提供V1的结果。在RD的下一个下降沿之后, FRSTDATA输出恢复逻辑低电平。在串行模式下， FRSTDATA在CS下降沿变为高电平， 因为此时将在DoutA上输出V1的MSB。在CS下降沿之后的第16个SCLK下降沿， 它恢复低电平。 |
| DB0 - DB15 | 读数据总线 |
OS[2:0]过采样模式选择
| OS2 ，OS1，OS0 | 说明 | 最大速率 |
| 000 | 无过采样 | 200Ksps |
| 001 | 2倍过采样 | 100Ksps |
| 010 | 4倍过采样 | 50Ksps |
| 011 | 8倍过采样 | 25Ksps |
| 100 | 16倍过采样 | 12.5Ksps |
| 101 | 32倍过采样 | 6.25Ksps |
| 110 | 64倍过采样 | 3.125Ksps |
| 111 | 无效 |
三、AD7606并行模式时序分析以及实现
3.1 并行模式时序图
3.2 并行模式时序要求
| 时间名称 | 时间长度 | 描述 |
| tRESET | 50ns | 高电平复位最小宽度 |
| t2 | 25ns | CONVST低电平脉冲最短宽度 |
| t7 | 25ns | RESET低电平到CONVST高电平之间最短宽度 |
| t5 | 0.5ms | CONVSTA和CONVSTB上升沿之间的最短延迟时间 |
| t1 | 40ns | CONVST上升沿到BUSY上升沿之间的最长延迟时间 |
| tCYCLE | 5us | CONVST上升沿到CONVST上升沿之间的最长延迟时间 |
| t3 | 25ns | CONVST高电平最短时间 |
| t4 | 0ns | BUSY下降沿到CS下降沿最短时间 |
| t8 | 0ns | cs下降沿和RD下降沿最短时间 |
| t10 | 16/21/25/32ns | RD低电平脉冲宽度，根据Vdrive电平判断 |
| t11 | 15ns | RD低电平脉冲宽度最小值 |
| t9 | 0ns | RD上升沿到CS上升沿的最小时间 |
| tCONV | 3.45us | 转换时间最低3.45us，最高4.15us |
3.3 代码编写
输入可以用一个开始信号控制启动转换：
module ad7606_ctrl_par(
input i_clk , // 输入系统时钟，50m
input i_rst ,
input i_start , // 7606开始转换控制信号
input [15:0] i_ad_data , // ad7606 采样数据
input i_ad_busy , // ad7606 忙标志位
input i_first_data , // ad7606 第一个数据标志位
output [ 2:0] o_ad_os , // ad7606 过采样倍率选择
output o_ad_cs , // ad7606 AD cs
output o_ad_rd , // ad7606 AD data read
output o_ad_reset , // ad7606 AD reset
output o_ad_convstA , // ad7606 AD convert startA
output o_ad_convstB , // ad7606 AD convert startB
output [15:0] o_ad_ch1 , // AD第1通道的数据
output o_ad_ch1_valid , // AD第1通道的数据有效信号
output [15:0] o_ad_ch2 , // AD第2通道的数据
output o_ad_ch2_valid , // AD第2通道的数据有效信号
output [15:0] o_ad_ch3 , // AD第3通道的数据
output o_ad_ch3_valid , // AD第3通道的数据有效信号
output [15:0] o_ad_ch4 , // AD第4通道的数据
output o_ad_ch4_valid , // AD第4通道的数据有效信号
output [15:0] o_ad_ch5 , // AD第5通道的数据
output o_ad_ch5_valid , // AD第5通道的数据有效信号
output [15:0] o_ad_ch6 , // AD第6通道的数据
output o_ad_ch6_valid , // AD第6通道的数据有效信号
output [15:0] o_ad_ch7 , // AD第7通道的数据
output o_ad_ch7_valid , // AD第7通道的数据有效信号
output [15:0] o_ad_ch8 , // AD第8通道的数据
output o_ad_ch8_valid // AD第8通道的数据有效信号
);
整个操作可以用一个状态机来控制，状态定义如下：
/***************parameter*************/
localparam RESET = 4'd0 ; //复位状态
localparam AD_CONSVT = 4'd1 ; //开启转换
localparam BUSY = 4'd2 ; //等待busy
localparam READ_CH1 = 4'd3 ; //读通道1数据
localparam READ_CH2 = 4'd4 ; //读通道2数据
localparam READ_CH3 = 4'd5 ; //读通道3数据
localparam READ_CH4 = 4'd6 ; //读通道4数据
localparam READ_CH5 = 4'd7 ; //读通道5数据
localparam READ_CH6 = 4'd8 ; //读通道6数据
localparam READ_CH7 = 4'd9 ; //读通道7数据
localparam READ_CH8 = 4'd10; //读通道8数据
localparam READ_DONE = 4'd11; //读完成
整个控制代码比较简单，这里就不全放出来了，直接看仿真：
3.4 仿真观察
仿真给出时钟复位即可，busy信号一直给0，data固定为d‘11，我们来看各信号的时序是否满足手册要求，仿真代码如下：
`timescale 1ns / 1ps
module tb_ad7606_ctrl_par();
reg i_clk;
reg i_rst;
initial begin
i_clk =0;
i_rst = 1;
#250;
i_rst = 0;
end
always #10 i_clk = ~i_clk;
ad7606_ctrl_par u_ad7606_ctrl_par(
.i_clk ( i_clk ),
.i_rst ( i_rst ),
.i_start ( 1'b1 ),
.i_ad_data ( 16'd11 ),
.i_ad_busy ( 1'b0 ),
.i_first_data ( ),
.o_ad_os ( ),
.o_ad_cs ( ),
.o_ad_rd ( ),
.o_ad_reset ( ),
.o_ad_convstA ( ),
.o_ad_convstB ( ),
.o_ad_ch1 ( ),
.o_ad_ch1_valid ( ),
.o_ad_ch2 ( ),
.o_ad_ch2_valid ( ),
.o_ad_ch3 ( ),
.o_ad_ch3_valid ( ),
.o_ad_ch4 ( ),
.o_ad_ch4_valid ( ),
.o_ad_ch5 ( ),
.o_ad_ch5_valid ( ),
.o_ad_ch6 ( ),
.o_ad_ch6_valid ( ),
.o_ad_ch7 ( ),
.o_ad_ch7_valid ( ),
.o_ad_ch8 ( ),
.o_ad_ch8_valid ( )
);
endmodule
放大局部来看
- 复位持续了120ns，最低时序要求是复位50ns，复位信号满足时序要求
- CONVST下降沿到CONVST上升沿之间为80ns，最低时序要求是25ns，满足时序要求
- CONVST高电平到CS低电平，手册写的转换时间tCONV最低3.45us、最长4.15us。我们这里取4.16us，满足最长转换时序。
- RD一个周期的时间为80ns，高低电平时间为40ns，满足时序要求最高的32ns
- 上一个CONVST上升沿在450ns，下一个上升沿在5470ns，一个tCYCLE时间为5.02us，满足手册要求的最长tCYCLE5us。
因此，所有输出信号都满足了手册的时序要求，AD7606并行模式仿真验证成功，后续有AD7606模块后再下板验证。
四、AD7606串行模式时序分析以及实现
4.1 串行模式时序图
串行我们使用转换期间读取模式
等busy信号拉低后，就可以拉低CS信号，然后提供SCLK给AD7606，数据按照每bit的传输，用户在SCLK上升沿采样，传输第一个通道的位数据时FRSTDATA会拉高。
4.2 串行模式时序要求
CS信号，CONVST信号和并行一致，剩下的时序如下所示：
4.3 代码编写
顶层我们设置三个参数变量，分别为系统时钟，SPI时钟，和采样周期，这样就能通过这些变量来计算出我们需要的分频计数值。
module ad7606_ctrl_ser#(
parameter SYS_CLK_FREQ = 100_000_000, //系统时钟频率
SPI_CLK_FREQ = 20_000_000, //SPI时钟频率
AD_CAP_FREQ = 200_000 //AD7606采样频率最大200K
)
(
input i_clk , // 输入系统时钟，100m
input i_rst ,
input i_start , // 7606开始转换控制信号
input i_ad_data_A , // ad7606 1,2,3,4通道采样数据
input i_ad_data_B , // ad7606 5,6,7,8通道采样数据
input i_ad_busy , // ad7606 忙标志位
output [ 2:0] o_ad_os , // ad7606 过采样倍率选择
output o_ad_cs , // ad7606 AD cs
output o_ad_sclk , // ad7606 AD data read
output o_ad_reset , // ad7606 AD reset
output o_ad_convstA , // ad7606 AD convert startA
output o_ad_convstB , // ad7606 AD convert startB
output [15:0] o_ad_ch1 , // AD第1通道的数据
output [15:0] o_ad_ch2 , // AD第2通道的数据
output [15:0] o_ad_ch3 , // AD第3通道的数据
output [15:0] o_ad_ch4 , // AD第4通道的数据
output [15:0] o_ad_ch5 , // AD第5通道的数据
output [15:0] o_ad_ch6 , // AD第6通道的数据
output [15:0] o_ad_ch7 , // AD第7通道的数据
output [15:0] o_ad_ch8 , // AD第8通道的数据
output o_ad_cap_done // AD所有通道采集数据完成信号
);
状态机和分频系数定义如下，由于是串行输入，所以设置一个READ状态即可
/***************parameter*************/
localparam T5US_DIV = SYS_CLK_FREQ / 200_000 -1 ; //200Kbps采样率，因此采样周期为5us
localparam SPI_DIV = SYS_CLK_FREQ / 20_000_000 -1 ; //SPI时钟分频系数
localparam SPI_DIV1 = SPI_DIV/2; //半周期分频
localparam RESET = 4'd0 ; //复位状态
localparam AD_CONSVT = 4'd1 ; //开启转换
localparam BUSY = 4'd2 ; //等待busy
localparam READ = 4'd3 ; //读数据
localparam READ_DONE = 4'd4 ; //读完成
设置两个64bit寄存器来存放几个通道的串行数据，然后再分别分配各各个通道：
reg [63:0] ad_dataA ;
reg [63:0] ad_dataB ;
assign o_ad_ch1 = ad_dataA[63:48] ;
assign o_ad_ch2 = ad_dataA[47:32] ;
assign o_ad_ch3 = ad_dataA[31:16] ;
assign o_ad_ch4 = ad_dataA[15: 0] ;
assign o_ad_ch5 = ad_dataB[63:48] ;
assign o_ad_ch6 = ad_dataB[47:32] ;
assign o_ad_ch7 = ad_dataB[31:16] ;
assign o_ad_ch8 = ad_dataB[15: 0] ;
4.4 添加仿真模型以及观察
仿真代码如下：
`timescale 1ns / 1ps
module tb_ad7606_ctrl_ser();
reg i_clk ;
reg i_rst ;
wire i_ad_data_A ;
wire i_ad_data_B ;
wire i_ad_busy ;
wire o_ad_convstA ;
wire o_ad_convstB ;
wire o_ad_cs ;
wire o_ad_sclk ;
wire o_ad_reset ;
initial begin
i_clk =0;
i_rst =1;
#250;
i_rst = 0;
end
always #5 i_clk = ~i_clk;
ad7606_ctrl_ser#(
.SYS_CLK_FREQ( 100_000_000 ),
.SPI_CLK_FREQ( 20_000_000 ),
.AD_CAP_FREQ ( 200_000 )
)u_ad7606_ctrl_ser(
.i_clk ( i_clk ),
.i_rst ( i_rst ),
.i_start ( 1'b1 ),
.i_ad_data_A ( i_ad_data_A ),
.i_ad_data_B ( i_ad_data_B ),
.i_ad_busy ( i_ad_busy ),
.o_ad_os ( ),
.o_ad_cs ( o_ad_cs ),
.o_ad_sclk ( o_ad_sclk ),
.o_ad_reset ( o_ad_reset ),
.o_ad_convstA ( o_ad_convstA ),
.o_ad_convstB ( o_ad_convstB ),
.o_ad_ch1 ( ),
.o_ad_ch2 ( ),
.o_ad_ch3 ( ),
.o_ad_ch4 ( ),
.o_ad_ch5 ( ),
.o_ad_ch6 ( ),
.o_ad_ch7 ( ),
.o_ad_ch8 ( ),
.o_ad_cap_done ( )
);
ad7606 ad7606_inst
(
.ad_busy (i_ad_busy ), //ad7606 忙标志位 输出
.ad_cs (o_ad_cs ), //ad7606 CS信号输入，低电平SPI数据线输出AD7606寄存器数据
.ad_sclk (o_ad_sclk ), //ad7606 SCLK时钟输入
.ad_reset (o_ad_reset ), //ADC复位输入
.ad_convsta (o_ad_convstA ), //ad7606 A组通道转换
.ad_convstb (o_ad_convstB ), //ad7606 B组通道转换
.ad_range (1'b0 ), //ad7606 模拟输入范围，设置1范围：±10V，设置0范围±5V
.ad_out_a (i_ad_data_A ), //A组通道采集有效数据输出
.ad_out_b (i_ad_data_B ) //B组通道采集有效数据输出
);
endmodule
采样周期5.07us，满足AD7606最大的5us
采样出来的仿真模型也是正确的，至此AD7606的串行和并行验证都完成。
本文资料获取：
AD7606串行输出verilog代码以及串行仿真模型和AD7606中文原理图
AD7606并行输出verilog代码以及AD7606中文原理图
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