AD9910的切换profile问题

本文中，可能将AD9910和DDS混称，可能有各种简称。

Intro

在我的实验室广泛使用AD9910作为DDS芯片，用于产生rf信号经过放大供给AOM。

在实验中，我们有这么一种需求：希望信号在短时间内可以切换为我们期望的另一种配置（频率，幅度，相位等等）。这种需求当然是相当合理的，比如我想一些参数即时改变，用于实现比如快速反馈、做优化等等。当然，可以用AWG来做这个事情，但是AWG多贵啊（x，而DDS只需要不到1w块就可以买四个通道（当然，电路板是自己做的）。

那么如何满足我们这么一种需求呢？AD9910提供了三种^[1]解决方案：

1. 通过串口通信加spi通信来实现对profile的配置；
2. 通过给profile引脚对应的电平从而快速切换profile0-7中的配置；
3. 通过并行接口（parallel port）来实现对幅度、相位、频率的快速、任意^[2]调制。

看起来很好，但是我们仔细一想很容易排除了1和3这两种想法：

1. 串口通信太慢了！这一点是显而易见的，即使在对时序要求不那么严格（$\sim1\mu\text{s}$^[3]）的离子阱实验中，也不可能为了串口通信等待$\text{ms}$量级的时间。而且串口通信相对不稳定。
2. 并行接口需要14 bits per channel，这14位bit需要精准地同步在一个$250\text{MHz}$的时钟上，这听起来就不是一个很现实的事情（做到过，但是考虑到一块板子上有很多芯片，而且FPGA管脚资源有限，用14个bit来实现这个功能并不是一个很好的选择）。

ps. 当然，平时配置DDS还是通过串口通信的方式实现的，而且设计上其实留有并口的接口。

方案只剩下一种，自然是使用三个bit来切换profile。这种方式有和并口可比的速度（$\sim100\text{ns}$），同时只需要三位bit就可以实现8个profile的切换，看起来十分的划算。

那么，代价是什么呢？

至今实验室中还没有一块多通道DDS可以实现profile的全正确切换。比如我从000切换到001，只有一个管脚的值发生了改变，这是一定可以切对的，但从001切换到010，有两位同时改变，这时DDS可能会错误的识别为各种奇怪的值，比如011，并保持在这个错误的profile。

那切换profile会有概率切换错，这谁还敢用？

当然，有妥协的办法：使用格雷码。这样每次DDS切换profile都只改变一位，如我想从001切换到010，可以使用如下路径：001->000(or 011)->010。

看起来很好。但这总归在我们的时序中引入了不期望的一段。

这可咋整？

AD9910的内部有一个采样时钟频率/4的sync_clk时钟。一般我们会用10M的晶振或者铷钟，pll 100倍到1G使用，这样sync_clk是250M (4ns)。AD9910会在每个sync_clk的上升沿检测三个profile管脚，从而实现profile的切换。

我们一开始的理解是，profile是边沿敏感，必须非常严格地同步在sync_clk上。为什么认为是边沿敏感呢，因为如果是电平敏感的话，切到了错误的profile上总是可以调整过来的。

坑如下：

1. sync_clk太快了，显然需要对输入的profile做一些操作，让他们在4ns内完成切换。
2. 其实profile管脚是电平敏感。

1总是可以解决的，比如用fifo+打拍将profile的改变同步在sync_clk的edge上。2是什么意思呢？

DDS感受到了profile有变化后，会发送一个io_update信号。在io_update的这段时间，是profile管脚的deadtime。这就很坑了，意味着虽然检测到了正确的电平，但DDS这段时间忙着错误的业务，没空鸟你，你的这条命令就被忽略了。

也就是说，如果一切都做的比较好，且profile的更新同步在sync_clk上，profile还是无法正确地切换，说明DDS内部的sync_clk和你从FPGA发出的profile到达DDS管脚时的信号的边沿有点重合了，导致无法正确地读取profile。

那一种很鸡贼的方法就是，本来你的profile同步在sync_clk的上升沿上，只需要把它改为同步在下降沿上，这样profile信号就会凭空平移2ns，这样就会错开。

突然感觉文章戛然而止了。。。Let’s call it a day.

Reference

AD9910 datasheet

1. 其实应该还有什么RAM什么的模式，但是鉴于我没调过而且电路板似乎没支持这种功能。。。 ↩
2. 并没有那么任意，具体看AD9910 datasheet中的描写，在我印象中频率和相位就不能同时改变。似乎AD9912支持这一功能。（没有查证，不对这里负责） ↩
3. 这里$1\mu\text{s}$指的是量子门的时间精度（一般一个two-qubit gate在$200\mu\text{s}$量级，对duration大概没有特别严格的要求）。当然在时序控制上我们希望越精确越好，实验上我们很容易做到$\sim50\text{ns}$级别的控制，但我们一般只关心$\mu\text{s}$尺度上发生的事情。 ↩