如何使用FPGA驅(qū)動并行ADC和并行DAC芯片

概述

ADC和DAC是FPGA與外部信號的接口，從數(shù)據(jù)接口類型的角度劃分，有低速的串行接口和高速的并行接口。FPGA經(jīng)常用來采集中高頻信號，因此使用并行ADC和DAC居多。本文將介紹如何使用FPGA驅(qū)動并行ADC和并行DAC芯片。

并行接口包括兩種數(shù)字編碼方式：帶符號數(shù)signed與無符號數(shù)unsigned。本文還將介紹使用不同編碼方式的ADC與DAC時需要注意的問題。

接口協(xié)議

以ADI公司的32M、8位ADC芯片AD9280和125M、8位DAC芯片AD9708為例（這是淘寶上最容易買到的AD/DA模塊）。

AD9280的時序圖如下：

AD9708的時序圖如下：

由時序圖可知，AD9280在每個輸入clock的上升沿對輸入的模擬信號做一次采集，采集數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線data輸出；AD9708也是在每個輸入clock的上升沿讀取數(shù)據(jù)總線DB0-DB7上的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流IOUTA/IOUTB輸出。

這兩個芯片的管腳雖然很多，但大多數(shù)都是與硬件設(shè)計有關(guān)。其實幾乎所有的并行ADC和并行DAC與FPGA之間的接口只有一條時鐘線與一組數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線的位寬即為ADC/DAC的位數(shù)。每個時鐘周期ADC都會完成一次采集（DAC完成一次輸出），因此時鐘頻率也就是ADC和DAC的采樣頻率。

FPGA設(shè)計

并行ADC和DAC的接口時序驅(qū)動非常簡單，只要利用Quartus或Vivado自帶的時鐘管理IP核生成預(yù)期采樣頻率的時鐘信號，驅(qū)動時鐘線，從數(shù)據(jù)總線上讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)即可。

比如下面的代碼實現(xiàn)了將ADC采集到的數(shù)據(jù)再通過DAC輸出

`timescale 1ns / 1ps

//-----------------------------------------------

// 將ADC采集到的數(shù)據(jù)通過DAC輸出

//-----------------------------------------------

module adda_test

(

input clk,

output daclk,

output [7:0] dadata, //DA data

output adclk,

input [7:0] addata //AD data

);

PLL PLL_inst

(

.clk_in1(clk), // IN

// Clock out ports

.clk_out1(adclk), // OUT 32Mhz

.clk_out2(daclk), // OUT 32Mhz

// Status and control signals

.reset(1'b0), // IN

.locked()

);

assign dadata = addata;

endmodule

上述代碼中實例化了一個PLL IP核產(chǎn)生ADC和DAC所需頻率的時鐘，Quartus中該IP核叫做“PLL”，Vivado中該IP核叫做“Clocking Wizard”。

為了保證DAC輸出與ADC采集到的信號相同，將兩者時鐘頻率設(shè)置相同，且連接二者的數(shù)據(jù)總線。上述代碼可以使用開發(fā)板和AD/DA模塊進(jìn)行實際測試。

編碼方式問題

上文用到的AD9280和AD9708都是無符號數(shù)編碼，而我們知道無論是Vivado還是Quartus中大多數(shù)的IP核采用的都是帶符號數(shù)二進(jìn)制補(bǔ)碼的編碼方式，這就導(dǎo)致ADC/DAC的數(shù)據(jù)總線不能與IP核接口直接對接，必須做一定的轉(zhuǎn)換處理。

考慮到上述數(shù)字系統(tǒng)的特點，市場上也存在不少以帶符號數(shù)二進(jìn)制補(bǔ)碼接口的ADC/DAC，比如65M、12位ADC芯片AD9226。如果使用這種編碼方式的芯片，數(shù)據(jù)總線就可以直接與IP核接口對接，不需要做特殊處理。

但是，我們總會不可避免的遇到類似這樣的情況：

1. ADC或DAC是無符號數(shù)編碼，而設(shè)計中需要使用一些帶符號數(shù)接口的IP核；

2. ADC是帶符號數(shù)編碼，而設(shè)計中僅需獲取測量值，并不需要與其它帶符號數(shù)接口的模塊對接。

當(dāng)遇到情況1時，需要進(jìn)行無符號數(shù)編碼與帶符號數(shù)編碼之間的轉(zhuǎn)換。將ADC采集到的8位無符號數(shù)轉(zhuǎn)換為帶符號數(shù)補(bǔ)碼形式的代碼如下：

/**** 將addata轉(zhuǎn)化為帶符號二進(jìn)制補(bǔ)碼形式 ****/

reg [7:0] ad_data;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

if (!rst_n) ad_data <= 8'd0;

else ad_data <= addata - 128;? ? //AD9280采集輸入

將帶符號數(shù)補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換為8位無符號數(shù)通過DAC輸出的代碼如下：

/**** 將dadata轉(zhuǎn)化為無符號數(shù)形式 ****/

reg [7:0] da_data;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

if (!rst_n) da_data <= 8'd0;

else da_data <= dadata + 128;? ? //AD9708輸出

當(dāng)遇到情況2時，需要將不易直接觀察的帶符號數(shù)補(bǔ)碼形式轉(zhuǎn)換為帶符號數(shù)原碼形式，使其更加直觀。代碼如下：

always @(posedge ad_clk) //AD9226采集

if(ad_ch1[11]==1'b1) begin //如果是負(fù)電壓

ch1_reg<=12'hfff - ad_ch1 + 1'b1;

ch1_sig <= 45;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //'-' asic碼

end

else begin

ch1_reg<=ad_ch1;

ch1_sig<=43;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //'-' asic碼

end

轉(zhuǎn)換的依據(jù)是一個簡單的運(yùn)算關(guān)系：“補(bǔ)碼的整數(shù)值”+“原碼絕對值的整數(shù)值”=2^B，B為位寬。比如帶符號數(shù)原碼1110的補(bǔ)碼為1010：1110取絕對值0110為6；1010為10，二者加起來為2^4=16。

上述代碼便是利用了這個運(yùn)算關(guān)系。為了節(jié)省位寬，先用12’hfff減掉補(bǔ)碼，再加1，達(dá)到同樣的效果，得到帶符號數(shù)原碼的絕對值。根據(jù)符號位便可以知道這個原碼的正負(fù)情況。