LTC2308 是将模拟信号转换成数字信号的器件，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC，Analog to Digital Converter），是亚德诺半导体公司( Analog Devices Inc，ADI) 的一款低噪声 12 位高精度逐次逼近型模数转换芯片，最多可拥有 8 个模拟输入通道，具有高达 500 kSPS 的采样速率，支持串行外设接口( Serial Peripheral Interface，SPI) 。

一、LTC2308的功能框图及引脚定义

 

LTC2308的功能框图：

 

 

 引脚定义（来源参考 LTC2308 datasheet LTC2308fb.pdf 的第7页）：

信号名称 定义
CH0-CH7 8个ADC通道输入端
COM

参考点。

对于单极转换，它必须连接到GND，对于双极转换，它必须连接到GND和REFCOMP之间。
REFCOMP   参考Buffer输出。通过10uF和0.1uF旁路到GND时，额定输出电压为4.096V
 CONVST  该信号上升沿的到来可触发转换
SCK 串行传输时钟
 SDI  串行数据输入
 SDO  串行数据输出

二、LTC2308的配置信号定义

先参考LTC2308 datasheet LTC2308fb.pdf 的第10页：

 

 

也就是说LTC2308的各种工作模式是可通过6位DIN字可编程设定的。SDI数据位加载在SCK的上升沿上，S/D bit 加载在第一个上升沿上，SLP bit 加载在第六个上升沿上。6位DIN字定义如下:

 

位
表达式
描述
S/D
SIGNAL-sENDED / DIFFERENTIAL BIT
为1选择单端输入
为0选择差分输入
O/S
ODD / SIGN BIT
为1选择奇数通道
为0选择偶数通道
S1
ADDRESS SELECT BIT 1
地址选择位1
S0
ADDRESS SELECT BIT 0
地址选择位0
UNI
UNIPOLAR / BIPOLAR BIT
为1选择单极性
为0选择双极性
SLP
SLEEP MODE BIT
睡眠模式选项，以便在非活动期间节省电力

 继续参考参考LTC2308 datasheet LTC2308fb.pdf 的第10页的Table1可得到通道选择的配置字：

所以 adc_ltc2308.v 模块里面的配置代码如下：

三、通道的选择

先看通道的硬件配置（设置通道的极性）。

DE10-Nano_v.1.3.8_HWrevC_SystemCD\Schematic\de10-nano.pdf 电路上COM引脚 是直接接地了。所以板子硬件上已经固定为单极性。

 

 

 

DE10-Nano硬件上用3个开关SW[2:0]控制着通道选择。

DE10_NANO_QSYS模块里面添加了PIO IP（名称为SW组件，输入宽度设定为10bit），该IP连接到DE10-Nano的开关SW上。

0

参考DE10-Nano_v.1.3.8_HWrevC_SystemCD\Demonstrations\FPGA\ADC\software\DE10_NANO_ADC\main.c，因为SW组件设置的位宽是10-bit，所以读SW寄存器的值先和0x07相与，也就是取低三位的SW[2:0]的值写到寄存器0：

0从adc_ltc2308_fifo.v模块的寄存器设计来看，寄存器0是选择通道数的，寄存器1是寄存数据有多少个（nReadNum ）：
0
这里的三行代码对应前面的CONVST信号，有一个20ns的脉冲:
 
IOWR(ADC_LTC2308_BASE, 0x00, (ch << 1) | 0x00);
IOWR(ADC_LTC2308_BASE, 0x00, (ch << 1) | 0x01);
IOWR(ADC_LTC2308_BASE, 0x00, (ch << 1) | 0x00);

 

假如SW[2:0]=001，左移一位，变成0010，然后和0x00相或，还是0010；
第0位作为复位信号measure_fifo_start，前面的001作为通道数measure_fifo_ch。
0

 

四、LTC2308的SPI协议时序理解

参考LTC2308fb.pdf第17页， 该器件SPI协议时序图有两个。

第一个：

第二个：

 

 

DE10-Nano_v.1.3.8_HWrevC_SystemCD\Demonstrations\FPGA\ADC 这个案例里面我们使用的是第二个时序图，原因是为了LTC2308 表现的性能更好，尽量选择：
1. 在转换开始之后的40ns内返回低电平
2. 在转换结束之后返回低电平
 
关于这个的描述请参考LTC2308fb.pdf第14页：

 所以实验里面果断选择第二个时序图。

第二个时序图中的各个时间定义（参考LTC2308fb.pdf的第5页）：

 

把上面的表格摘出并翻译如下：

符号
描述
值
单位
tWHCONV
CONVST高电平的时间
MIN=20
ns
tHCONVST
从最后一个SCK下降沿开始，CONVST保持低的时间
MIN=20
ns
tCONV
转换时间
TYP=1.3、MAX=1.6
us
tACQ
数据采集的时间
第七个SCK上升沿和CONVST上升沿之间的时间
MIN=240
ns
tCYC
总周期时间
TYP=2
us

 

关于时序的理解请参考LTC2308的这段话描述：

 

对应译文：第二个时序图显示了在转换时间结束前，CONVST信号回到低电平。在此模式下，ADC和所有内部电路保持通电状态。当转换完成后，SDO的输出数据序列的MSB将在数据总线被启用后有效。在CONVST上升沿后1.3μs之后，随着脉冲SCK的节奏，SDO将从LTC2308中输出数据，SDI则将配置数据加载到LTC2308中。第一个SCK上升沿将S/D位加载到LTC2308中。SDO在每个SCK脉冲的下降沿输出数据。

 

总结一句话：送出convrt trigger后，经过tCONV 时间后才能送出SPI clock, 通过SDO 接收ADC结果，并同时通过SDI 设定下次convert的参数,SPI clock结束后，至少要等tHCONVST 时间，才能送出下一个convrt trigger。

 

六、如何设定采样率100Ksps？

通过LTC2308数据手册我们知道最高采样率是500ksps， SCK最高能达到40MHz（40MHz的时间周期是25ns）。DE10-Nano开发板手册写道如果想设置采样率100Ksps(不超过500Ksps就行)只需设置tHCONVST 为 320(fsample = 100KHz)即可。为什么设置tHCONVST 为320呢?

 通过LTC2308数据手册我们知道 tCONV  的典型值是1.3 us，最大值是 1.6 us，那么1.6us/25ns(假设时钟是40MHz）= 64， 也就是tCONV  最多占用64个时钟周期。而整个采样过程要占用 400 个周期（ 10us（100Ksps）/   25ns（40MHz）=400）。

 

根据时序图和代码来看，64+12+320=396大约是400 。LTC2308的数据手册提到 如果驱动电路的源阻抗低，则可以直接驱动ADC输入。否则，对于阻抗较高的源，应该允许更多的采集时间。所以这里时间多预留一点可以， 少则不行。

 

五、DE10-Nano的ADC案例的代码解读

 

下图是DE10-Nano_v.1.3.8_HWrevC_SystemCD\Demonstrations\FPGA\ADC案例的模块框图：

（1）解读adc_ltc2308.v

adc_ltc2308.v的模块框图如下：

 

 信号列表如下：

信号  方向 位宽 功能
clk 输入 1 模块时钟，设置40MHz（由DE10_Standard_QSYS.qsys里面PLL IP 产生）
measure_start  输入 1  转换和采集的触发信号
measure_ch  输入 3 采集通道的选择 
measure_done  输出 1  一次采集完成标志，1表示一次采集完成
measure_dataread  输出 12  采集的数据经缓存后输出
ADC_CONVST  输出 1  标记出 measure_start 信号高电平
ADC_SCK 输出 1 LTC2308的SCK时钟
ADC_SDI 输出 6 LTC2308的SDI控制字
ADC_SDO 输入 12 采集的数据

 对LTC2308的一次完整转换和采集过程所需的时钟周期数进行数节拍：

 检测触发信号measure_start的上升沿，一旦检测到该信号的上升沿就转换成LTC2308模块的系统复位信号：

 标记出 measure_start 信号高电平（也就是标记出tWHCONV时间段）：

当电路处在采集数据的读取过程当中，则输出SCK时钟（ADC_SCK周期也为40MHz，但每一次只有12个周期输出），否则输出低电平0 ：

 在clk下降沿时刻，将采集的数据ADC_SDO缓存到read_data寄存器：

measure_done是一次采集完成标志，每次检测到LTC2308的触发信号上升沿时measure_done信号归0，当一次采集完成后置1：

reset_n、clk_enable、ADC_SCK、ADC_CONVST、measure_done和ADC_CONVST信号波形标出如下：

设置不同的配置字到寄存器config_cmd，然后根据输入（measure_ch）的通道选择配置字：

然后根据LTC2308的时序图标记出配置字的三个阶段（三个状态）：config_init（配置初始化时间段） 、config_enable（可配置时间段） 和 config_done（配置完成时间段）。

config_init（配置初始化时间段）：初始状态下，将配置字的高字节赋给ADC_SDI

config_enable（可配置时间段）：将配置字剩余的5个bit逐个赋给ADC_SDI

config_done（配置完成时间段）：配置完成阶段将0赋给ADC_SDI

 

（2）解读adc_ltc2308_fifo.v模块

adc_ltc2308_fifo.v模块里面例化了adc_ltc2308.v模块和adc_data_fifo.v模块。

adc_ltc2308_fifo.v模块是将adc_ltc2308.v模块进行了一个封装，转换成avalon接口，以便在Qsys里面调用该模块。同时，adc_ltc2308_fifo.v模块也调用了adc_data_fifo.v模块，让ADC采集过来的数据缓存在FIFO里面。

 

 

信号 方向 位宽 描述
slave_clk 输入 1 总线时钟，所有端口信号都同步于该时钟信号
slave_reset_n 输入 1  复位输入信号
slave_chipselect_n 输入 1  片选信号，当该信号有效时，IP 核的所有寄存器才能被访问
slave_addr 输入 1  
地址，该地址信号指定了 IP 核被访问的寄存器编号，通过给该信号赋予不同的值，就能选择访问不
同的寄存器
slave_read_n 输入 1  
读请求信号，低电平有效，当该信号有效(低电平)时， address 指定的寄存器中的数据会被读出到readdata 
slave_wrtie_n 输入 1  
写请求信号，低电平有效，当该信号有效(低电平)时，writedata 端口上的数据会被写入 address 指
定的寄存器中
slave_readdata 输出 12  
读数据端口，当 chipselect 有效时，该端口上的值为 address 指定的寄存器中的值
slave_wriredata 输入 15  
写数据信号，当 write_n 信号有效时，该端口上的数据会被写入 address 指定的寄存器中
adc_clk 输入 1  40MHz
ADC_CONVST 输出 1   标记出 measure_start 信号高电平
ADC_SCK 输出 1  LTC2308的SCK时钟
ADC_SDI 输出 15  LTC2308的SDI控制字
ADC_SDO 输入 12  采集的数据

 

 

检测触发信号CONVST上升沿。main.c代码里面给出了CONVST（即measure_fifo_start，来自slave_wriredata[0]）。
这里实现边沿捕获功能的方式就是最常用的边沿检测方式，即使用 2 个 D 触发器分别存储前后两个时钟时输入 IO 上的电平值，然后比较两个 D 触发器中的值来判断是否捕获到了边沿：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（3）解读adc_data_fifo.v模块

 

（4）解读DE10_NANO_QSYS模块

 PLL组件（系统50MHz时钟 通过PLL产生出40MHz时钟给DE10_NANO_QSYS模块里面的各个小模块使用）：

 

 

PIO组件SW配置（这里SW设置的是10bit，但是通道选择只需要3bit，所以取值的时候只取前面3bit，后面7bit屏蔽）：

 

 DE10_NANO_QSYS模块里面各个组件的地址情况：

 

 

#define SW_BASE 0x0

#define ADC_LTC2308_BASE 0x81010

#include <stdio.h>
#include <io.h>
#include <unistd.h>

#include "system.h" //定义了寄存器地址信息等

void main(void){
    int ch = 0;
    // 设置测量数据个数，最大设置1024
    const int nReadNum = 10;  
    int i, Value, nIndex=0;

    printf("ADC Demo\r\n");
    while(1){
    //读取SW[2:0]的值作为通道的选择信号
        ch = IORD(SW_BASE, 0x00) & 0x07; 

        printf("======================= %d, ch=%d\r\n", nIndex++, ch);

        // ADC转换的测量个数写入DE10_NANO_QSYS模块的0x01寄存器
        IOWR(ADC_LTC2308_BASE, 0x01, nReadNum);    


        // 开始测量，左移一位是因为预留出第一位给触发信号
        //slave_wriredata[3:1]为SW的值，slave_wriredata[0]为触发信号
        //或操作是为了得到一个触发脉冲，即产生CONVST的触发信号

        IOWR(ADC_LTC2308_BASE, 0x00, (ch << 1) | 0x00);
        IOWR(ADC_LTC2308_BASE, 0x00, (ch << 1) | 0x01);
        IOWR(ADC_LTC2308_BASE, 0x00, (ch << 1) | 0x00);
        usleep(1);

        //等待测量结束
        //
        while ((IORD(ADC_LTC2308_BASE,0x00) & 0x01) == 0x00);

        // 读取ADC的值
        for(i=0;i<nReadNum;i++){
            Value = IORD(ADC_LTC2308_BASE, 0x01);
            printf("CH%d=%.3fV (0x%04x)\r\n", ch, (float)Value/1000.0, Value);
        }

        usleep(200*1000);
    } // while
}