FPGA 基于 AD7606 的 8 通道高速同步采集系统设计与 Verilog 实现

概述

在工业控制、电力监测、医疗设备、雷达信号处理等高精度多通道数据采集场景中，ADI 公司的 AD7606 几乎成了行业标配。它是一款 16 位、8 通道、真差分输入、同步采样 ADC，最高支持 200 kSPS 采样率，内置抗混叠滤波器和可编程增益，极大简化了前端模拟电路设计。

如何用 FPGA 高效驱动 AD7606，并实现稳定可靠的数据读取？这是本文要深入剖析的核心问题。

系统架构

AD7606 关键特性

• 8 通道同步采样（CH0～CH7）
• 16 位分辨率，±5V 或±10V 输入范围（由 RANGE 引脚控制）
• 并行/串行输出模式（本设计采用串行 SPI 模式）
• CONVST A/B：启动 A 组/B 组转换（可独立或同时触发）
• BUSY：转换忙信号，高电平有效
• CS + SCLK + DoutA/DoutB：双数据流 SPI 接口

注意：AD7606 在串行模式下，一次读取需 96 个 SCLK 周期（8 通道 × 16 位 = 128 位？错！实际为双通道并行输出，故仅需 64 位 × 2 = 128 位？不！正确理解见后文）。

实际上，AD7606 在串行模式下：

• DoutA 输出 CH0～CH3（4 通道 × 16 位 = 64 位）
• DoutB 输出 CH4～CH7（4 通道 × 16 位 = 64 位）
• 因此总共需要 128 个 SCLK 周期完成全部 8 通道读取。

顶层模块接口

module ad7606_top(
    input clk_in1_p, // 差分时钟正端（如 100MHz）
    input clk_in1_n, // 差分时钟负端
    output pen_o, // 板载电源使能（常拉高）
    input ad_busy_i, // AD7606 忙信号
    output ad_cs_o, // 片选
    output ad_sclk_o, // SPI 时钟
    output ad_rst_o, // AD7606 复位（低有效）
    output ad_convsta_o,// CONVST A
    output ad_convstb_o,// CONVST B
    output ad_range_o, // 量程选择（0: ±10V, 1: ±5V）
    input ad_out_a_i, // DoutA
    input ad_out_b_i // DoutB
);

说明：该接口设计简洁规范，符合工业级 FPGA 工程命名习惯（_i 输入，_o 输出），且预留了调试信号（如 ILA 探针），体现专业素养。

时钟与复位

差分时钟转单端 & PLL 使用

wire clk100M, locked;
clk_wiz_0 clk_7606_inst (
    .clk_out1(clk100M),
    .locked(locked),
    .clk_in1_n(clk_in1_n),
    .clk_in1_p(clk_in1_p)
);

• 使用 Xilinx Clocking Wizard IP 核将外部差分时钟（如 100MHz LVDS）转换为内部单端时钟。
• locked 信号用于生成异步复位同步释放（ARSR）的复位信号。

复位逻辑设计

assign ad_rst_i = !locked;

• 当 PLL 未锁定时，ad_rst_i = 1，复位整个 AD7606 控制逻辑。
• ad_rst_o 输出到 AD7606 的 RESET 引脚（低有效），故在子模块中会取反。

调试建议：务必在上电初期确保 locked=1 后再启动采集，否则 SPI 时序可能紊乱。

核心控制逻辑

虽然本文未给出 uispi7606.v 源码，但从实例化参数可推断其功能：

uispi7606 #(
    .SPI_DIV(10'd5), // SCLK 分频系数 → 实际 SCLK = 100MHz / (2*(5+1)) ≈ 8.33MHz
    .T5US_DIV(10'd999) // 5us 延时计数（用于 CONVST 脉宽或 CS 建立时间）
) uispi7606_inst (
    .ad_clk_i(clk100M),
    .ad_rst_i(!locked),
    .ad_busy_i(ad_busy_i),
    .ad_cs_o(ad_cs_o),
    .ad_sclk_o(ad_sclk_o),
    .ad_rst_o(ad_rst_o),
    .ad_convsta_o(ad_convsta_o),
    .ad_convstb_o(ad_convstb_o),
    .ad_range_o(ad_range_o),
    .ad_out_a_i(ad_out_a_i),
    .ad_out_b_i(ad_out_b_i),
    .ad_out_a(ad_out_a), // [63:0] 组合后的 CH0～CH3
    .ad_out_b(ad_out_b), // [63:0] 组合后的 CH4～CH7
    .ad_cap_en(ad_cap_en) // 采集使能标志（用于 ILA 触发）
);