FPGA學(xué)習(xí)系列：30. 數(shù)模轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)（DA）

設(shè)計(jì)背景：

數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter）即DAC，是數(shù)字世界和模擬世界之間的橋梁。人類生活在模擬世界中，雖然數(shù)字器件及設(shè)備的比重日益增強(qiáng)，但是DAC的發(fā)展仍是必不可少的。從航空航天、國防軍事到民用通信、多媒體、數(shù)字信號處理等都涉及到DAC應(yīng)用。DAC基本上由4個(gè)部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。它是一種將二進(jìn)制數(shù)字量形式的離散信號轉(zhuǎn)換成以參考電壓為基準(zhǔn)的模擬量的轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計(jì)原理:

本設(shè)計(jì)采用串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片TLC5620，TLC5620是一個(gè)擁有四路輸出的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，時(shí)鐘頻率最大可達(dá)到1MHz。TLC5620芯片接口如下：

該芯片主要有以下特點(diǎn)：四通道8位電壓輸出DA轉(zhuǎn)換器、5V單電源供電、串行接口、高阻抗基準(zhǔn)輸入、可編程1或2輸出范圍、同時(shí)更新設(shè)備、內(nèi)部上電復(fù)位、低功耗、半緩沖輸出。該芯片主要應(yīng)用于：可編程電源、數(shù)字控制放大器/誤差器、移動通信、自動測試設(shè)備、研發(fā)過程檢測和控制和信號合成等。

芯片接口功能表如下：

轉(zhuǎn)換公式：V = REF*（CODE/256）* (1+RNG)

V：實(shí)際電壓；REF：基準(zhǔn)電壓；CODE：輸入8位數(shù)據(jù)；RNG：范圍。

TLC5620的接口時(shí)序如下列圖所示：

圖1 LOAD控制更新（LDAC為低電平）

圖2 LDAC控制更新（LDAC為低電平）

圖3 LOAD控制更新（使用8位串行數(shù)據(jù)，LOAD為低電平）

圖4 LDAC控制更新（使用8位串行數(shù)據(jù)）

如圖1所示：當(dāng)LOAD為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)在CLK的下降沿被鎖存至DATA，只要所有數(shù)據(jù)被鎖存，則將LOAD拉低，將數(shù)據(jù)從串行輸入寄存器傳送到所選擇的DAC。如圖2所示：串行編程期間LDAC為高電平，數(shù)據(jù)在LOAD為低電平時(shí)進(jìn)行鎖存，當(dāng)LDAC變?yōu)榈碗娖綍r(shí)傳送至DAC輸出。如圖3、4所示：輸入數(shù)據(jù)最高位（MSB）在前，數(shù)據(jù)傳輸使用兩個(gè)8個(gè)時(shí)鐘周期。

在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用的是圖1的工作時(shí)序：

數(shù)據(jù)通道選擇：

RNG：控制DAC輸出范圍。當(dāng)RNG為低時(shí)，輸出范圍在基準(zhǔn)電壓和GND之間；當(dāng)RNG為高時(shí)，輸出范圍為兩倍的基準(zhǔn)電壓和GND。

設(shè)計(jì)架構(gòu)圖:

本設(shè)計(jì)驅(qū)動TLC5620將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的模擬量（電壓），通過四個(gè)按鍵控制四路輸出的電壓變化，每按一次，電壓值也隨之上升，同時(shí)在數(shù)碼管上也依次顯示相應(yīng)的值（依次為A1,A0,RNG,輸入DATA）。本設(shè)計(jì)采用的開發(fā)板的基準(zhǔn)電壓為2.5V。設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如下所示：

key_test模塊通過四個(gè)按鍵輸入的值，組合輸出兩個(gè)數(shù)據(jù)，11位的wr_data是TLC_DA模塊解碼所需的數(shù)據(jù)。20位的out_data是seg_num模塊數(shù)碼管顯示所需的數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)代碼:

key_test模塊代碼如下：

0modulekey_test(//按鍵控制模塊

1//端口信號：模塊的輸入輸出接口

2inputclk,//50MHZ

3inputrst_n,//低電平復(fù)位

4input[3:0]key,//四個(gè)按鍵組合信號

5

6output[10:0]wr_data,//輸出一幀數(shù)據(jù)，為DA模塊的輸入數(shù)字量

7output[19:0]out_data //輸出數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)

8);

9

10//計(jì)數(shù)器時(shí)鐘分頻

11reg[30:0]cnt;

12regclk_r;//分頻時(shí)鐘：在消除抖動的時(shí)鐘頻率下進(jìn)行按鍵的檢測

13always@(posedgeclk ornegedgerst_n)//按鍵消抖，時(shí)間為0.2s進(jìn)行一次檢測

14if(!rst_n)

15begin

16cnt <=0;

17clk_r <=0;

18end

19elseif(cnt <30'd1000_0000)

20cnt <=cnt +1'b1;

21else

22begin

23cnt <=0;

24clk_r <=~clk_r;

25end

26

27//按鍵為低電平有效，當(dāng)檢測到對應(yīng)按鍵之后，相應(yīng)數(shù)值加1，并顯示相應(yīng)的通道

28reg[7:0]data;//按鍵輸入數(shù)據(jù)

29reg[1:0]channel;//通道選擇

30reg[7:0]key1,key2,key3,key4;//相應(yīng)四個(gè)按鍵

31always@(posedgeclk_r ornegedgerst_n )

32if(!rst_n)

33begin

34key1 <=8'h00;

35key2 <=8'h00;

36key3 <=8'h00;

37key4 <=8'h00;

38data <=8'h00;

39channel <=2'b00;

40end

41else

42case(key)

434'b1110:begin//按鍵1：選擇通道A，且輸入數(shù)字量加1

44channel <=2'b00;

45key1 <=key1 +1'b1;

46data <=key1;

47end

484'b1101:begin//按鍵2：選擇通道B，且輸入數(shù)字量加1

49channel <=2'b01;

50key2 <=key2 +1'b1;

51data <=key2;

52end

534'b1011:begin//按鍵3：選擇通道C，且輸入數(shù)字量加1

54channel <=2'b10;

55key3 <=key3 +1'b1;

56data <=key3;

57end

584'b0111:begin//按鍵4：選擇通道D，且輸入數(shù)字量加1

59channel <=2'b11;

60key4 <=key4 +1'b1;

61data <=key4;

62end

63default:;

64endcase

65

66//用賦值語句將需要的數(shù)據(jù)組合起來，在此例中將RNG默認(rèn)為1

67assignwr_data ={channel,1'b1,data}; assignout_data={{3'b000,channel[1]},3'b000,channel[0],4'h1,data};

68

69endmodule

TLC_DA模塊代碼如下：

0moduleTLC_DA(//輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量模塊，本實(shí)驗(yàn)用TLC5620

1//端口信號：模塊的輸入輸出接口

2inputclk,//系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz

3inputrst_n,//低電平復(fù)位

4input[10:0]data_in,//輸入一幀數(shù)據(jù)

5outputda_data,//串行數(shù)據(jù)接口

6outputda_clk,//串行時(shí)鐘接口

7outputregda_ldac,//更新控制信號

8outputregda_load//串行加載控制接口

9);

10

11//計(jì)數(shù)器時(shí)鐘分頻：根據(jù)芯片內(nèi)部的時(shí)序要求進(jìn)行分頻

12reg[30:0]cnt;

13wireda_clk_r;//TLC 5620內(nèi)部時(shí)鐘信號

14always@(posedgeclkornegedgerst_n)//滿足協(xié)議中的時(shí)鐘要求，在TLC 5620中時(shí)鐘要求不大于1MHZ

15if(!rst_n)

16cnt<=6'd0;

17else

18cnt<=cnt+1'b1;

19

20assignda_clk_r=cnt[5];

21

22//接收時(shí)序狀態(tài)機(jī)

23reg[2:0]state;

24reg[3:0]cnt_da;

25regda_data_r;

26regda_data_en;//限定da_data,da_clk的有效區(qū)域

27always@(posedgeda_clk_rornegedgerst_n)

28if(!rst_n)

29begin

30state<=0;

31cnt_da<=0;

32da_load<=1;

33da_ldac<=0;

34da_data_r<=1'b1;

35da_data_en<=0;

36end

37else

38case(state)

390:state<=1;

401:begin

41da_load<=1;

42da_data_en<=1;

43if(cnt_da<=10)

44begin

45cnt_da<=cnt_da+1'b1;

46case(cnt_da)

470:da_data_r<=data_in[10];

481:da_data_r<=data_in[9];

492:da_data_r<=data_in[8];

503:da_data_r<=data_in[7];

514:da_data_r<=data_in[6];

525:da_data_r<=data_in[5];

536:da_data_r<=data_in[4];

547:da_data_r<=data_in[3];

558:da_data_r<=data_in[2];

569:da_data_r<=data_in[1];

5710:da_data_r<=data_in[0];

58default:;

59endcase

60state<=1;

61end

62else

63begin

64cnt_da<=0;

65state<=2;

66da_data_en<=0;

67end

68end

692:begin

70da_load<=0;

71state<=3;

72end

733:begin

74da_load<=1;

75state<=0;

76end

77default:state<=0;

78endcase

79

80assignda_data=(da_data_en)?da_data_r:1'b1;

81assignda_clk=(da_data_en)?da_clk_r:1'b0;

82

83endmodule

seg_num模塊代碼如下：

0moduleseg_num(//數(shù)碼管顯示模塊：選擇數(shù)碼管0-4共5個(gè)數(shù)碼管顯示{A1，A0，RNG，DATA}

1//端口信號：模塊的輸入輸出接口

2inputclk,//系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz

3inputrst_n,//低電平復(fù)位

4input[19:0]data_in,//20位輸入數(shù)據(jù)

5

6outputreg[7:0]seg,//數(shù)碼管段選

7outputreg[2:0]sel//數(shù)碼管位選

8);

9

10//通過查找表的方式，將相應(yīng)位的數(shù)碼管與數(shù)據(jù)的相應(yīng)位一一對應(yīng)

11reg[3:0]num;

12always@(*)

13case(sel)

144:num=data_in[3:0];//第五個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[3：0]

153:num=data_in[7:4];//第四個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[7：4]

162:num=data_in[11:8];//第三個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[11:8]

171:num=data_in[15:12];//第二個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[15:12]

180:num=data_in[19:16];//第一個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[19:16]

19default:;

20endcase

21

22//通過查找表的方式，將數(shù)據(jù)與數(shù)碼管的顯示方式一一對應(yīng)

23always@(*)

24case(num)

250:seg<=8'hC0;//8'b1100_0000

261:seg<=8'hF9;//8'b1111_1001

272:seg<=8'hA4;//8'b1010_0100

283:seg<=8'hB0;//8'b1011_0000

294:seg<=8'h99;//8'b1001_1001

305:seg<=8'h92;//8'b1001_0010

316:seg<=8'h82;//8'b1000_0010

327:seg<=8'hF8;//8'b1111_1000

338:seg<=8'h80;//8'b1000_0000

349:seg<=8'h90;//8'b1001_0000

35default:seg<=8'hFF;//8'b1111_1111

36endcase

37

38//計(jì)數(shù)器時(shí)鐘分頻：用cnt第10位的變化作為分頻時(shí)鐘

39reg[23:0]cnt;

40always@(posedgeclkornegedgerst_n)

41if(!rst_n)

42cnt<=4'd0;

43else

44cnt<=cnt+1'b1;

45//在分頻時(shí)鐘下，數(shù)碼管的0-5位依次循環(huán)

46always@(posedgecnt[10]ornegedgerst_n)//分頻時(shí)鐘為2^10/50M

47if(!rst_n)

48sel<=0;

49elseif(sel<4)

50sel<=sel+1'b1;

51else

52sel<=0;

53

54endmodule

top頂層模塊代碼如下：

0moduletop(//頂層模塊：將各個(gè)模塊組合

1//外部接口

2inputclk,//系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz

3inputrst_n,//低電平復(fù)位

4input[3:0]key,//四個(gè)按鍵組成的按鍵信號，低電平有效

5

6outputda_data,//DA串行接口數(shù)據(jù)

7outputda_clk,//DA串行接口時(shí)鐘

8outputda_ldac,//DA更新信號

9outputda_load,//DA串行接口加載控制信號

10output[7:0]seg,//數(shù)碼管段選

11output[2:0]sel//數(shù)碼管位選

12);

13//內(nèi)部信號：模塊內(nèi)部的接口信號，比如模塊TLC_DA的輸出信號data_in，通過內(nèi)部信號r_data與模塊key_test的輸入信號wr_data相連

14wire[10:0]wr_data;

15wire[19:0]out_data;//輸入給數(shù)碼管的數(shù)據(jù)

16

17//模塊例化

18TLC_DATLC_DA_inst(//輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量模塊

19.clk(clk),

20.rst_n(rst_n),

21.da_clk(da_clk),

22.da_data(da_data),

23.da_ldac(da_ldac),

24.da_load(da_load),

25.data_in(wr_data)

26);

27

28key_testkey_test_inst(//按鍵控制模塊

29.clk(clk),

30.rst_n(rst_n),

31.key(key),

32.wr_data(wr_data),

33.out_data(out_data)

34);

35

36seg_numseg_num_inst(//數(shù)碼管顯示模塊

37.clk(clk),

38.rst_n(rst_n),

39.data_in(out_data),

40.seg(seg),

41.sel(sel)

42);

43

44endmodule

test頂層模塊測試代碼：

0`timescale1ns/1ns//設(shè)置仿真時(shí)間單位與精度分別為1ns/1ns

1//若設(shè)為`timescale 1ns/1ps (#200 就是延時(shí)200 ns; 1ps就是仿真的精度）

2moduletest;//測試模塊：主要是將激勵(lì)信號賦相應(yīng)的值，仿真之后觀察波形，驗(yàn)證與實(shí)際功能是否一樣

3

4//端口信號定義，激勵(lì)信號為reg型

5regclk;

6regrst_n;

7reg[3:0]key;

8wire[7:0]seg;

9wire[2:0]sel;

10

11//模塊例化

12toptop(

13.clk(clk),

14.rst_n(rst_n),

15.key(key),

16.seg(seg),

17.sel(sel)

18);

19

20//初始化激勵(lì)，以及給相應(yīng)激勵(lì)賦值

21initial

22begin

23clk=0;rst_n=0;key=4'b1111;//在復(fù)位階段，將激勵(lì)賦初值

24

25#200rst_n=1;//在延時(shí)200ns后將復(fù)位信號置為1

26

27//實(shí)現(xiàn)按鍵1開，關(guān)

28#500000key=4'b1110;

29#500000key=4'b1111;

30

31end

32

33always#10clk=~clk;//時(shí)鐘的表示，即每隔10ns翻轉(zhuǎn)一次，一個(gè)周期的時(shí)間即為20ns，時(shí)鐘為1/20ns = 50MHZ

34

35endmodule

仿真圖:

由于仿真時(shí)間原因，這里只測試按鍵1按下時(shí)的數(shù)碼管顯示，顯示為00100，表示通道A，RNG為1，輸入數(shù)字量為00。之后實(shí)際下板驗(yàn)證，用萬用表也可測出輸入數(shù)字量對應(yīng)的電壓值。