基于JEDS204B的高速數據采集電路設計

張奕

摘要：相比于常用的LVDS，JEDS204B是一種更高速度的串行接口。本文以AD9680為例，設計了一套基于JEDS204B接口的高速數據采集板，詳細闡述設計要點。實驗結果顯示電路性能指標良好，已成功應用于多個雷達系統中。

關鍵詞：JEDS204B；高速數據采集；電路設計

中圖分類號：TN911.73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0165-01

在當前多數高速電路設計中，通常選用LVDS作為數據轉換器和FPGA之間的接口。LVDS的差分傳輸特性可有效抑制共模噪聲，增大抗干擾能力。但是由于它采用多路數據線并行傳輸方式，易受碼間同步及串擾影響，難以滿足多通道、高寬帶、小型化數傳需求[1]。JESD204B標準提供一種將數據轉換器與數字信號處理器件接口的方法，相比于常用的并行數據傳輸，是一種更高傳輸速度的串行接口。它使用幀串行數據鏈路及嵌入式時鐘和對齊字符，速度最高可達12.5Gbps/通道[2]。并且，它減少了器件之間的走線數量，并消除了建立與保持時序約束問題，從而簡化了電路設計。本文以AD9680為例，設計了一套基于JEDS204B接口的高速數據采集板，從原理電路及高速PCB設計兩方面，詳細介紹設計中需要注意的問題。

1 原理電路設計

本設計采用高速ADC+FPGA的方案。ADC完成高速數據采集，數據通過204B協議輸出到接收端FPGA，FPGA完成高速serdes信號的接收、204B協議解析及數據調理，將數據按照系統要求的模式打包通過光模塊發送給后續系統。ADC選用ADI公司的AD9680，它是兩通道14bit最高采樣率1Gsps的數模轉換器，采用JEDS204B協議接口；FPGA選用帶有高速串行接口的Xilinx V系列芯片，主要功能框圖如圖1所示。

（1）信號傳輸：由于AD9680的模擬輸入帶寬可達2GHz，因此根據實際輸入信號頻率及帶寬需進行相應的電路匹配，如圖2所示。AD9680輸出四對serdes差分數據線，到FPGA的接收端應串接AC耦合電容。輸入一對SYNC信號，用于啟動AD9680幀數據的發送，另外輸入一對SYREF信號，用于多芯片之間的同步。

（2）電源設計：AD9680的電源種類繁多，有3.3V、2.5V、1.8V、1.25V，并且分模擬電源和數字電源。首先在滿足電流要求的條件下，盡可能選用LDO電源芯片，以實現最小的電源紋波；其次模擬電源和數字電源要進行物理隔離，并且端接各種容值的去耦電容以濾除各種頻率的電源干擾。

2 高速PCB設計

AD9680最高采樣率為1Gsps，采用JEDS204B協議接口，因此其輸出serdes高速信號數據率最高可達10Gbps，這對高速數模混合PCB設計來說是一個巨大的挑戰。

2.1 電源地設計

電源地設計是高速PCB設計中最關鍵的技術。本電路中存在多種類工作電壓，因此在設計時需要將模擬和數字電源分開供電，同一電壓值的不同品種電源采用星型連接方式，PCB設計時需要對電源進行平面分割，盡量將電源和其供電的電路單元相對應[3]。另外值得注意的一點是，在電源分割時要充分考慮電源所需電流的冗余量，要保證在電源輸出和芯片接收端直流電壓值的一致。

2.2 阻抗設計

在超高速PCB電路設計中，對信號完整性的要求越來越高，而阻抗連續性設計是信號完整性問題的核心。

AD9680與FPGA之間高速信號要求通過AC耦合電容來建立傳輸路徑，電容和高速傳輸線共用一個參考平面，可是電容的寬度遠大于傳輸線寬，導致差分阻抗變小，引起阻抗的不連續性，從而帶來較大的反射損耗。為減小反射損耗，可以挖空電容體下面的參考平面以改善阻抗特性[4]。另外，在高速信號過孔的附近伴隨地孔也有助于保持阻抗的連續性。

3 性能測試

為了驗證本電路設計的正確性，對高速數據采集進行性能測試。由信號源產生采樣時鐘和模擬輸入信號，在FPGA中采集204B解析后的ADC數據。設置模擬輸入點頻信號550MHz，采樣時鐘為1GHz，測試結果如圖3所示，性能指標良好，滿足設計要求。

4 結語

本文詳細介紹了基于JEDS204B接口的高速數據采集電路設計方案，以FPGA為核心，對ADC輸出數據進行204B解析，給出實驗測試結果，并且詳細闡述了原理電路設計與高速PCB設計要點。本設計已成功應用于多個雷達系統中。

參考文獻

[1]胡曉芳.基于LVDS的超高速ADC數據接收設計[J].電子技術，2015，07，（15）：50-52.

[2]周典淼，徐暉，陳維華，李楠，孫兆林，刁節濤.基于JESD204B 協議的數據傳輸接口設計[J].電子科技，2015，28（10）：53-56.

[3]白同云，高速PCB電源完整性研究[J].中國電子科學研究院學報，2006，1，（1）：22-30.

[4]吳茜，王曉曉，張帥.10G 高速印制電路板的設計與研究[J].機電元件，2013，（4）：8-12.endprint