AD7606芯片使用详解：串行和并行采集方案及FPGA实现
AD7606芯片使用详解：串行和并行采集方案及FPGA实现
AD7606是一款16位8通道同步采样模数转换器（ADC），支持±10V和±5V真双极性输入信号，采样率可达200 kSPS。本文将详细介绍AD7606的数据手册解读、串行和并行输出采集的时序和代码实现，以及Vivado仿真和上板调试验证。
1、前言
AD7606是一款非常受欢迎的AD芯片，因为它支持8通道同时采集数据，采样深度16位，虽然采样率只有200 kSPS，但对电压等低速数据源的采集而言已经完全足够了。该芯片在电压检测等项目中有着广泛应用。
本文详细描述了设计方案，工程代码编译通过后上板调试验证，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于AD数据采集领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；
2、AD7606数据手册解读
AD7606英文原版数据手册只有37页，但真正看懂的兄弟却很少，下面解读一下这个手册：
DAQ7606 是 16 位 8 通道同步采样模数数据采集系统(DAS)。
AD7606 内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16 位电荷再分配逐次逼近型 ADC、灵活的数字滤波器、2.5V 基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。AD7606 采用 5V 单电源供电，可以处理±10V 和±5V 真双极性输入信号，同时所有通道均能以高达 200 kSPS 的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可以耐受最高达±16.5V 的电压。无论以何种采样频率工作，AD7606 的模拟输入阻抗均为 1 MΩ。它采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。AD7606 抗混叠滤波器的 3 dB 截止频率为 22 kHz；当采样速率为 200 ksps 时，它具有 40 dB 抗混叠抑制特性。灵活的数字滤波器采用引脚驱动，可以改善信噪比(SNR)，并降低 3 dB 带宽。
写了这么多你看懂了吗？
我猜你应该是云里雾里，下面举例说人话，让你听得懂：
AD7606芯片框图如下：
红线即是信号输出输出的数据通路；
输入信号采集范围
AD7606可以处理±10V 和±5V 真双极性输入信号，即输入信号可以是±10V 和±5V，由RANGE引脚上下拉决定；
下拉处理±5V 信号；
上拉处理±10V 信号；
一旦选择了输入信号范围，就别乱给信号源了，否则烧板子了。。。
原文如下：
输出模式选择
红线以通道1为例：
输入数据位单端模拟数据，进过复杂的转换后可输出串行数字信号或者并行数据信号；
如果你的板子设计引脚资源有限，则选择串行输出；串行输出的优点是节约IO，缺点是采集时序复杂些；
如果你的板子设计引脚足够多，则选择并行输出，并行输出数据线占用16个IO口，并行输出的优点是采集时序简单，缺点是费IO；可自行选择；
输出模式选择通过PAR/SER/BYTE SEL引脚的上下拉决定；
上拉选择串行输出；
下拉选择并行输出；
具体的时序细节放在后面的章节；
原文如下：
过采样率设置
过采样率设置由OS的三个引脚上下拉决定，可以固定用电阻上下拉，这种模式就定死了，除非飞线，也可以用FPGA引脚给高低电平配置，具体配置模式如下图：
作为FPGA开发者，需要知道这些就行了，具体的时序细节放在后面的章节；
3、AD7606串行输出采集
AD7606串行采集时钟的范围要求如下：
这里我们选择16.666MHz时钟，不高也不低；
系统参考时钟选择100M，那个1个时钟周期就是1000÷100=10ns；
采集时钟是16.666M，那个1个时钟周期就是1000÷16.666=60ns；
记住这两个时钟周期，很重要；
串行输出流程时序图如下：
这张图采用边转换边读取的方式，还有转换完成后再读取的方式，既然可以边转换边读取，为何还要等转换完成后再读取呢？所以我们直接用这种方式。
并行采集使用的则是转换完成后再读取的方式。
第一步：拉高RESET引脚至少至少50ns，数据手册规定如下：
第二步：拉低CONVSTA或者CONVSTB持续最多0.5ms(500ns)，注意这里是最多，所以在代码里只需一个参考时钟周期足以，比如你用的100M，一个参考时钟周期就是10ns，当然，CONVSTA和CONVSTB也可同时拉低，这样就是8个通道同时采集，时间由数据手册得知，如下：
CONVSTA开启V1-V4通道的转换；
CONVSTB开启V5-V8通道的转换；
原文如下：
第三步：等待BUSY为高后，拉低CS，这个BUSY是AD7606输出给用户的，表征AD转换正在进行，他有一个最大时间，我们一定要满足他的最大时间，不然人家还没转换完你就结束采集了，岂不唧唧了；那么，CS在什么时刻拉低呢？既然前面我们已经选择了边转换边读取的方式，所以在BUSY拉高的期间CS拉低，数据手册最大推荐4.15us，代码里直接设置5ms，由数据手册得知，如下：
流程看完了，来看具体的采集时序：
采集时序如下：
首先用户拉低CS，并给出SCLK到AD7606，AD7606在CS为低期间，在SCLK的上升沿输出数据（但根据时序图，我感觉是SCLK高电平期间输出的），一个通道一次转换后输出16位采样数据；
既然AD7606是在SCLK上升沿输出，那么FPGA就应该在SCLK下降沿采集（或者低电平采集）；
AD7606有8个模拟输入通道，串行输出模式下只有两个数字输出通道，每个输入通道输出16位采样数据；
DOUTA对应CH1、CH2、CH3、CH4四个输出通道；
DOUTB对应CH5、CH6、CH7、CH8四个输出通道；
因为每个输入通道输出16位采样数据，需要16个SCLK周期，所以4个输入通道输出16位采样数据，需要64个SCLK周期；那个我们需要一个计数器，计数到64时输出64位的采集数据，呢么采集到的每个通道数据对应如下：
wire [15:0] ad_ch1 = ad_out_a[63:48];
wire [15:0] ad_ch2 = ad_out_a[47:32];
wire [15:0] ad_ch3 = ad_out_a[31:16];
wire [15:0] ad_ch4 = ad_out_a[15: 0];
wire [15:0] ad_ch5 = ad_out_b[63:48];
wire [15:0] ad_ch6 = ad_out_b[47:32];
wire [15:0] ad_ch7 = ad_out_b[31:16];
wire [15:0] ad_ch8 = ad_out_b[15: 0];
转换状态机部分源码如下：
always @(posedge i_sys_clk) begin
if(o_ad_rst||!i_rstn) begin
ad_convst <= 1'b1;
AD_S <= 2'd0;
end
else begin
case(AD_S)
2'd0: begin
if(p_ad_sclk) begin
//开启8通道转换
ad_convst <= 1'b0;
AD_S <= 2'd1;
end
end
2'd1: begin
if(p_ad_sclk)begin
//转换时间最大500ns,这里60ns即可
ad_convst <= 1'b1;
AD_S <= 2'd2;
end
end
2'd2: begin
if(p_ad_sclk&&i_ad_busy) AD_S <= 2'd3; //BUSY拉高,进入采集数据状态
end
2'd3: begin
if(cycle_end) AD_S <= 2'd0;
//转换结束,重新采集
end
default: ;
endcase
end
end
串行采集代码顶层接口代码如下：
module helai_ad7606_ser#(
parameter SYS_CLK = 100_000_000, //系统时钟
parameter SPI_CLK = 16_666_666 //AD采集时钟
) (
input i_sys_clk , //系统时钟
input i_rstn , //系统复位,低有效
input i_ad_cha , //AD7606串行输出通道A
input i_ad_chb , //AD7606串行输出通道B
input i_ad_busy , //输入BUSY
output [2:0] o_ad_os , //输出采样率配置
output o_ad_cs , //输出片选
output reg o_ad_sclk , //输出采样时钟
output o_ad_rst , //输出复位
output o_ad_convsta, //输出开启V1-V4通道采集
output o_ad_convstb, //输出开启V5-V8通道采集
output o_ad_range , //输入信号范围配置
output [15:0] o_ad_ch1 , //输出通道1
output [15:0] o_ad_ch2 , //输出通道2
output [15:0] o_ad_ch3 , //输出通道3
output [15:0] o_ad_ch4 , //输出通道4
output [15:0] o_ad_ch5 , //输出通道5
output [15:0] o_ad_ch6 , //输出通道6
output [15:0] o_ad_ch7 , //输出通道7
output [15:0] o_ad_ch8 , //输出通道8
output o_ad_rxdone //输出数据有效信号，高有效
);
4、AD7606并行输出采集
并行采集时序，由于官方画的图太繁琐，我直接重画了一个图来表示，如下：
第一步：拉高RESET引脚至少至少50ns，和串行采集一样；
第二步：拉低CONVSTA或者CONVSTB持续最多0.5ms(500ns)，和串行采集一样；
第三步：等待转换完成再读取数据，即采用转换完成后再读取的方式；
第四步：拉低CS片选信号；
第五步：拉低RD信号，在RD和CS同时为低时即可依次读取V1-V8通道的数据；
相应的时间问题也是重要的，具体查看手册；
并行采集代码顶层接口代码如下：
module helai_ad7606_par(
input clk , //系统时钟,100M
input rst_n , //系统复位,低有效
input [15:0] ad_data , //输入并行数据
input ad_busy , //输入BUSY
input first_data , //未用到此信号
output [2:0] ad_os , //输出采样率配置
output reg ad_cs , //输出片选
output reg ad_rd , //输出读数据
output reg ad_reset , //输出复位
output reg ad_convstab , //输出开启V1-V8通道采集
output ad_data_valid, //输出数据有效信号，高有效
output reg [15:0] ad_ch1 , //输出通道1
output reg [15:0] ad_ch2 , //输出通道2
output reg [15:0] ad_ch3 , //输出通道3
output reg [15:0] ad_ch4 , //输出通道4
output reg [15:0] ad_ch5 , //输出通道5
output reg [15:0] ad_ch6 , //输出通道6
output reg [15:0] ad_ch7 , //输出通道7
output reg [15:0] ad_ch8 //输出通道8
);
5、vivado仿真
仅提供了串行采集的仿真，文件如下；
vivado仿真如下：
6、上板调试验证
请参考我之前写的基于zynq7100使用AD7606进行电压监测的文章点击查看：AD7606工程
7、福利：工程代码的获取
福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
这里代码分为两个文件夹：
AD7606串行和并行采集源码及仿真：包含串行和并行采集源码和串行仿真模型，没有建工程，需要自己建工程，然后把源码加进去；
AD7606电压采集工程：这是我做好得电压采集得项目工程；
AD7606串行和并行采集源码及仿真下载链接：https://download.csdn.net/download/qq_41667729/87767250
AD7606电压采集工程源码下载链接：https://download.csdn.net/download/qq_41667729/87767253
网盘资料如下：