1 AT84AD001的主要特點
AT84AD001是Atmel公司生產的基于BiCMOS技術的高速ADC，該器件在一片ADC上集成了兩路(I和Q)獨立的ADC，具有8 bit轉換精度，每個通道具有l GS/s的采樣率，在交錯模式下雙路ADC并行采樣可以達到2 GS/s的采樣率。AT84AD001內部集成了1：1和1：2的數據多路分離器(DMUX)和LVDS輸出緩沖器，可以降低輸出數據率，也可以方便地與多種類型的高速FPGA直接相連，實現高速率的數據存儲和處理。為補償由于器件參數離散和傳輸路徑差異所造成的采樣時鐘時延，該ADC具有采樣延時校準功能，可通過片內的數字采樣延時調整功能調整兩路ADC的采樣時間，也可以使用Q路ADC獨有的采樣延遲微調功能調整Q路的采樣時間，使并行采樣模式下兩路ADC轉換保持更高的時序精度。AT84AD001的所有參數設置均通過三線串行接口實現，利用該三線串口可由微處理器對ADC的工作模式進行控制，采用這種結構減少了芯片引腳數和空間體積，并使電路工作參數設置更靈活、簡便。AT84AD001可廣泛應用于雷達、通訊、儀器以及醫療等領域的高速數據采集過程。
2 外部引腳
AT84AD00I有144個外部引腳(參見圖1)。按性質主要分為模擬、數字兩部分。
模擬部分引腳分為模擬電源和模擬輸入兩類。模擬電源是3.3 V，模擬輸入必須配置成差分輸入，并且具有500 mVpp的峰峰值。雙通道共有兩個差分模擬輸入端Vinib和Vinqb，若前端信號是單端的，則必須經過一個射頻變壓器將單端信號變換為差分信號。數字部分包括時鐘信輸入CLKI和CLKQ、數據輸出信號、數據準備信號(CLKIO和CLKQ0)、數據溢出修正位DOIR、三線串口和數字電源。其中電源有3.3 V和2.25 V兩種。如圖l所示，DDRB是I和Q通道的同步數據準備復位端。Mode、Clock、Data、Ldn分別是三線串口的使能控制位、時鐘輸入引腳、數據輸入引腳、數據輸入的起止控制位。DOA(B)I0～7、DOA(B)Q0～7是通道I和Q的差分數據輸出端口，1：lDMUX模式時每路ADC使用DOA 8位總線，l：2DMUX模式時使用DOA和DOB 16位總線。DOIRI(N)和DOIRQ(N)是I和Q通道的并行數據差分輸出溢出修正位。
3 AT84AD00l的三線串行接口
ADC的三線串口是用戶可以使用的資源，ADC的所有參數設置均通過三線串口實現，ADC的三線串口主要有3個控制引腳：Data、Clock、Ldn。系統復位后，在每個Clock上升沿1 bit數據被接收。三線接口寄存器地址和設置參數內容如表l所示。串行接口的寫入字長為19 bit，其中前3 bit為所要操作的寄存器地址(范圍為000-111)，后16bit為寫入數據，接口的最大時鐘頻率是50 MHz。可采用多種類型的邏輯單片機作為控制器直接與三線接口相連，通過執行控制程序實現參數設置。ADC具有參數設置模式選擇端，如果引腳Mode=1，使用三線串口設置參數，如果引腳Mode=0，上電后進行缺省參數設置，無需外部處理器控制，缺省設置為：雙通道工作，使用同一工作時鐘CLKI，1：1 DMUX模式，二進制數據輸出。
4 AT84AD001的工作模式
為適應不同采樣方案的需要，按工作時鐘源的不同可將ADC分成三種工作模式：
(1)兩個ADC通道使用獨立的工作時鐘，系統需要為ADC提供兩個時鐘；
(2)兩個ADC通道均使用I通道工作時鐘，Q通道的工作時鐘與I通道同頻同相；
(3)兩個ADC通道均使用I通道工作時鐘，ADC內部產生一個同頻反相的時鐘作為Q通道工作時鐘。在這種模式下，當兩通道輸入同一模擬信號時，就可以實現交替式并行采樣，ADC的采樣速率為輸入工作時鐘的2倍。
根據兩路ADC輸入模擬信號的不同，ADC可以分成三種工作模式：
(1)兩個ADC通道分別使用獨立的模擬輸入，整個ADC需要外部輸入兩個模擬信號；
(2)兩個ADC通道均使用I通道模擬輸入信號；
(3)兩個ADC通道均使用Q通道模擬輸入信號。
通常ADC的輸出與高速邏輯電路相連，進行數據的存儲和處理，根據接收系統處理速率的不同，ADC設置了兩種輸出工作模式，當DMUX=1：1時，ADC的數據輸出率最高為l GHz，雙路全部工作時，輸出數據寬度為16位；當DMUX=1：2時，ADC的數據輸出率最高為500 MHz，雙路全部工作時，輸出數據寬度為32位，數據輸出速率降低了1倍。
圖2為并行交替工作模式下ADC工作時序圖，兩通道都使用I通道輸入模擬信號，外部輸入時鐘作為I通道工作時鐘，Q通道的工作時鐘與I通道工作時鐘同頻反相，DMUX擇1：2。
在圖2所示的ADC工作時序中，數據輸出延遲TDO是一個固定的延時值，總的延時等于固定延時與流水線傳輸延時之和。在DMUX設置為1：2時，I通道兩組數據的流水線傳輸延時分別為4個時鐘周期和3個時鐘周期，Q通道則分別為3.5個時鐘周期和2.5個時鐘周期，這種設計可以使ADC兩個通道的轉換數據在同一相位輸出，有利于接收系統進行同步數據讀取。
5 系統設計
AT84AD001在圖2所示的工作時序下，輸出4路8 bit-500 MS/s LVDS邏輯的數據，在采集系統設計中對與其接口器件的性能要求也較高。Altera公司的Stratix2系列FPGA-EP2S60F1020具有高達84個專用LVDS差分邏輯接收通道，每個LVDS通道數據傳輸速率最高達640 MS/s。一片EP2S60F1020即可滿足接收ADC輸出數據和邏輯控制的需要。由于ADC的輸出和FPGA的輸入均設計為LVDS邏輯標準，因此，ADC可直接與FPGA相連。Stratix2系列FPCA內部具有專門的LVDS處理單元，可實現LVDS邏輯的串/并降速轉換，降低速率后的數據可提供給內部DSP處理單元進行處理。Stratix2系列FPGA的另外一個優點是其內部具有專門的高速數字鎖相環電路，能夠產生可供ADC電路使用的時鐘信號。
圖3所示為基于AT84AD001的2 GHz數據采集系統的接口電路框圖。模擬輸入信號經過前置放大濾波電路，再經過一個射頻變壓器TP101將單端信號轉換為差分信號，送入AT84AD001的I通道模擬輸入端，由于所選的特殊的工作方式，Q通道的模擬輸入端無須輸入信號。ADC的工作時鐘CLKI由FPGA提供，FPGA輸入一個頻率較低的時鐘，經內部數字PLL倍頻和邏輯組合產生頻率為l GHz的工作時鐘，作為ADC的采樣時鐘CLKI。在圖2所示的工作模式下，ADC的數據準備信號CLKIO可以作為系統數據采集和處理的同步時鐘，CLKIO為差分LVDS邏輯，速率為250 MS/s，在時鐘的上升沿和下降沿均起作用。ADC輸出4路8 bit-500MS/s的數據，共占用FPGA的32個LVDS邏輯輸入通道。ADC的三線串行接口通過一個AVR系列單片機ATmegal28L進行控制，其中單片機產生的信號邏輯電壓為3.3 V，而ADC三線接口邏輯電壓為2.25V，因此需要在單片機和ADC之間加一個緩沖器74LCX244進行電平轉換。
6 結束語
介紹了采用高速BiCMOS技術的AT84AD001型模數轉換器，并將其應用在2 GHz數字采集系統中。它的典型三線串口功能簡化了ADC的外圍電路設計，提高了超高速電路的性能。由AT84AD001及其接口器件EP2S60F1020構成的數據采集系統采樣速率達到了2 GS/s，可以應用在現代寬帶通信中。隨著現代超寬帶技術的發展，這種超高速數據采集方案可以用來設計一種全數字化超寬帶(UWB)接收器的數據采集系統，以便將軟件無線電技術應用于超寬帶通信系統中，而高速ADC在全數字化超寬帶接收器的設計中起了關鍵作用。