源碼系列：基于FPGA的數(shù)模轉(zhuǎn)換（DA）設(shè)計(jì)

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今天給大俠帶來基于FPGA的數(shù)模轉(zhuǎn)換（DA）設(shè)計(jì)，附源碼，獲取源碼，請?jiān)凇癋PGA技術(shù)江湖”公眾號內(nèi)回復(fù)“?數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)源碼”，可獲取源碼文件。話不多說，上貨。

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)

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

頂層top模塊代碼如下：

module top(    //頂層模塊：將各個(gè)模塊組合//外部接口  input         clk,   //系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz   input         rst_n, //低電平復(fù)位  input   [3:0] key,   //四個(gè)按鍵組成的按鍵信號，低電平有效
  output        da_data,//DA串行接口數(shù)據(jù)  output       da_clk, //DA串行接口時(shí)鐘       output        da_ldac,//DA更新信號  output     da_load, //DA串行接口加載控制信號  output  [7:0] seg,   //數(shù)碼管段選  output  [2:0] sel   //數(shù)碼管位選);  //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  wire [10:0] wr_data;  wire [19:0] out_data;  //輸入給數(shù)碼管的數(shù)據(jù)
  //模塊例化  TLC_DA TLC_DA_inst(         //輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量模塊    .clk(clk),    .rst_n(rst_n),    .da_clk(da_clk),                  .da_data(da_data),    .da_ldac(da_ldac),    .da_load(da_load),    .data_in(wr_data)  );
  key_test key_test_inst(    //按鍵控制模塊    .clk(clk),    .rst_n(rst_n),    .key(key),    .wr_data(wr_data),    .out_data(out_data)  );
  seg_num seg_num_inst(      //數(shù)碼管顯示模塊    .clk(clk),    .rst_n(rst_n),    .data_in(out_data),    .seg(seg),    .sel(sel)  );
endmodule

key_test模塊代碼如下：

module key_test(     //按鍵控制模塊//端口信號：模塊的輸入輸出接口  input           clk,       //50MHZ  input           rst_n,     //低電平復(fù)位  input  [3:0]    key,       //四個(gè)按鍵組合信號
  output [10:0]    wr_data,    //輸出一幀數(shù)據(jù)，為DA模塊的輸入數(shù)字量  output [19:0]    out_data    //輸出數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù) );
  //計(jì)數(shù)器時(shí)鐘分頻   reg [30:0] cnt;  reg        clk_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  always@(posedge clk or negedge rst_n) //按鍵消抖，時(shí)間為0.2s進(jìn)行一次檢測    if(!rst_n)      begin        cnt <= 0;        clk_r <= 0;      end   else if(cnt < 30'd1000_0000)        cnt <= cnt + 1'b1;    else       begin         cnt <= 0;        clk_r <= ~clk_r;       end
  //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  reg [7:0]  data;     //按鍵輸入數(shù)據(jù)  reg [1:0]  channel;  //通道選擇  reg [7:0]  key1,key2,key3,key4; //相應(yīng)四個(gè)按鍵  always@(posedge clk_r or negedge rst_n )   if(!rst_n)           begin      key1 <= 8'h00;      key2 <= 8'h00;      key3 <= 8'h00;      key4 <= 8'h00;      data <= 8'h00;      channel <= 2'b00;      end   else    case(key)      4'b1110 : begin      //按鍵1：選擇通道A，且輸入數(shù)字量加1          channel <= 2'b00;            key1 <= key1 + 1'b1;            data <= key1;            end     4'b1101 : begin     //按鍵2：選擇通道B，且輸入數(shù)字量加1            channel <= 2'b01;            key2 <= key2 + 1'b1;            data <= key2;            end     4'b1011 : begin    //按鍵3：選擇通道C，且輸入數(shù)字量加1            channel <= 2'b10;            key3 <= key3 + 1'b1;            data <= key3;            end     4'b0111 : begin   //按鍵4：選擇通道D，且輸入數(shù)字量加1            channel <= 2'b11;            key4 <= key4 + 1'b1;            data <= key4;            end     default :;    endcase
  //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  assign wr_data = {channel,1'b1,data};  assign out_data = {{3'b000,channel[1]},3'b000,channel[0],4'h1,data};
endmodule

TLC_DA模塊代碼如下：

module TLC_DA(    //輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量模塊，本實(shí)驗(yàn)用TLC5620 //端口信號：模塊的輸入輸出接口  input         clk,   //系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz   input         rst_n, //低電平復(fù)位  input [10:0]  data_in, //輸入一幀數(shù)據(jù)    output         da_data, //串行數(shù)據(jù)接口  output        da_clk,  //串行時(shí)鐘接口       output reg    da_ldac, //更新控制信號  output reg     da_load  //串行加載控制接口  );
  //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  reg [30:0] cnt;  wire       da_clk_r;  //TLC 5620內(nèi)部時(shí)鐘信號  always@(posedge clk or negedge rst_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    if(!rst_n)      cnt  <= 6'd0;    else        cnt <= cnt + 1'b1;
  assign da_clk_r = cnt[5];
  //接收時(shí)序狀態(tài)機(jī)      reg [2:0]  state;  reg [3:0]  cnt_da;  reg        da_data_r;  reg        da_data_en;  //限定da_data,da_clk的有效區(qū)域  always@(posedge da_clk_r or negedge rst_n)    if(!rst_n)      begin        state <= 0;        cnt_da <= 0;        da_load <= 1;        da_ldac <= 0;              da_data_r <= 1'b1;        da_data_en <= 0;      end    else      case(state)        0: state <= 1;        1: begin          da_load <= 1;          da_data_en <= 1;            if(cnt_da <= 10)              begin                cnt_da <= cnt_da + 1'b1;                case(cnt_da)                  0:  da_data_r <= data_in[10];                  1:  da_data_r <= data_in[9];                  2:  da_data_r <= data_in[8];                  3:  da_data_r <= data_in[7];                  4:  da_data_r <= data_in[6];                  5:  da_data_r <= data_in[5];                  6:  da_data_r <= data_in[4];                  7:  da_data_r <= data_in[3];                  8:  da_data_r <= data_in[2];                  9:  da_data_r <= data_in[1];                  10: da_data_r <= data_in[0];                  default:;                endcase                state <= 1;              end            else              begin                cnt_da <= 0;                state <= 2;                da_data_en <= 0;              end          end        2: begin            da_load <= 0;            state <= 3;          end        3: begin            da_load <= 1;            state <= 0;          end        default: state <= 0;      endcase
  assign da_data = (da_data_en) ? da_data_r : 1'b1;  assign da_clk  = (da_data_en)?da_clk_r : 1'b0;
endmodule

seg_num模塊代碼如下：

module seg_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}//端口信號：模塊的輸入輸出接口  input         clk,   //系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz   input         rst_n, //低電平復(fù)位  input  [19:0]  data_in, //20位輸入數(shù)據(jù)
  output reg [7:0] seg,   //數(shù)碼管段選  output reg [2:0] sel    //數(shù)碼管位選  );
  //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)  reg [3:0]  num;     always@(*)    case(sel)           4: 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]      3: 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]      2: 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]      1: 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]      0: 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]      default:;    endcase
  //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)    always@(*)      case(num)      0:  seg <= 8'hC0;    //8'b1100_0000      1:  seg <= 8'hF9;  //8'b1111_1001      2:   seg <= 8'hA4;  //8'b1010_0100        3:  seg <= 8'hB0;  //8'b1011_0000      4:  seg <= 8'h99;  //8'b1001_1001      5:  seg <= 8'h92;  //8'b1001_0010      6:  seg <= 8'h82;  //8'b1000_0010      7:  seg <= 8'hF8;  //8'b1111_1000      8:  seg <= 8'h80;  //8'b1000_0000      9:  seg <= 8'h90;  //8'b1001_0000      default:seg <= 8'hFF; //8'b1111_1111    endcase
  //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    reg [23:0]  cnt;        always@(posedge clk or negedge rst_n)     if(!rst_n)      cnt <= 4'd0;    else      cnt <= cnt + 1'b1;  //在分頻時(shí)鐘下，數(shù)碼管的0-5位依次循環(huán)  always@(posedge cnt[10] or negedge rst_n)   //分頻時(shí)鐘為2^10/50M    if(!rst_n)      sel <= 0;    else if(sel < 4)      sel <= sel + 1'b1;    else      sel <= 0;      

仿真測試

test頂層模塊測試代碼：

`timescale 1 ns/ 1 ns    //設(shè)置仿真時(shí)間單位與精度分別為1ns/1ns           //若設(shè)為`timescale 1ns/1ps  (#200 就是延時(shí)200 ns; 1ps就是仿真的精度）module test;    //測試模塊：主要是將激勵信號賦相應(yīng)的值，仿真之后觀察波形，驗(yàn)證與實(shí)際功能是否一樣
  //端口信號定義，激勵信號為reg型  reg       clk;  reg     rst_n;  reg  [3:0]   key;                                                wire [7:0]  seg;  wire [2:0]   sel;
  //模塊例化                           top top(     .clk(clk),    .rst_n(rst_n),    .key(key),    .seg(seg),    .sel(sel)  );
   //初始化激勵，以及給相應(yīng)激勵賦值    initial                                                    begin                                                        clk = 0;rst_n = 0; key = 4'b1111;   //在復(fù)位階段，將激勵賦初值
    #200     rst_n = 1;      //在延時(shí)200ns后將復(fù)位信號置為1
    //實(shí)現(xiàn)按鍵1開，關(guān)    #500000  key = 4'b1110;    #500000  key = 4'b1111;
    end
  always  #10  clk = ~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
endmodule

仿真圖如下：

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。