基于AD7543和FPGA的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

引 言

　　數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)電路，是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路之一，其主要作用是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通常是利用專用的數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AD7543是Analog Device公司生產(chǎn)的的12位數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)芯片，它采用串行數(shù)據(jù)輸入形式，即數(shù)字信號(hào)被一位一位地寫入AD7543數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)芯片中，因此，AD7543要與一個(gè)控制器配合使用才能發(fā)揮作用。常規(guī)的方法，是以CPU作為控制部件，通過(guò)軟件編程的方式來(lái)控制AD7543，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)／模轉(zhuǎn)換功能的。軟件實(shí)現(xiàn)法雖然簡(jiǎn)單，但必將會(huì)占用大量的CPU時(shí)間，削弱了CPU實(shí)時(shí)處理能力，降低了系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)以上情況，在此設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯器件(FPGA)數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路，利用可編程邏輯器件(FP-GA)直接控制模轉(zhuǎn)換(D／A)芯片AD7543進(jìn)行數(shù)／模(D／A)轉(zhuǎn)換，取代傳統(tǒng)的“CPU+專用的數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)芯片”設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

　　1 AD7543簡(jiǎn)介

　　1．1 AD7543主要特性

　　AD7543主要特性為：

• 　　分辨率：12位；
• 　　非線性誤差：±1／2 LSB；
• 　　輸入方式：串行正或負(fù)選通；
• 　　初始化：異步輸入清零方式；
• 　　工作電壓：+5 V；
• 　　最大功耗：40 mW。

　　1．2 封裝形式和引腳功能

　　AD7543有三種封裝形式：16引腳的DIP和20引腳的PCCC與PLCC，其封裝形式如圖1所示，設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)現(xiàn)需求進(jìn)行選擇，其引腳功能說(shuō)明如下：

• 　　OUT1：數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)器電流輸出端，通常接到放大器正輸入端；
• 　　OUT2：數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)器電流輸出端，通常接到模擬地；
• 　　AGND：模擬地端，接到模擬地；
• 　　STB1：寄存器A選通1信號(hào)輸入端；
• 　　LD1：寄存器B裝人選通1輸入端，LD1和LD2都為低電平時(shí)，寄存器A的內(nèi)容被裝入到寄存器B中；
• 　　N／C：懸空；
• 　　SRI：串行數(shù)據(jù)輸入端，與寄存器A低位相連；
• 　　STB2：寄存器A選通2信號(hào)輸入端；
• 　　LD2：寄存器B裝入選通2輸入端，LD1和LD2都為低電平時(shí)，寄存器A的內(nèi)容被裝入到寄存器B中；
• 　　STB3：寄存器A選通3信號(hào)輸入端；
• 　　STB4：寄存器A選通4信號(hào)輸入端；
• 　　DGND：數(shù)字地端；
• 　　CLR：異步清寄存器B輸入端，當(dāng)為低電平時(shí)，清寄存器B內(nèi)容，寄存器A內(nèi)容不變；
• 　　VDD：5 V供電輸入端；
• 　　VREF：參考電壓輸入端；
• 　　RBF：反饋輸入端。

　　1．3 數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片AD7543器件工作原理

　　在AD7543器件內(nèi)部，有兩個(gè)寄存器：寄存器A和寄存器B。寄存器A是12位串行輸入并行輸出的移位寄存器，其低位與SRI引腳相連。在STB1，STB2和STB4上升沿或STB3下沿作用下，移位寄存器A發(fā)生移位，SRI引腳上的串行數(shù)據(jù)被裝進(jìn)寄存器A中，當(dāng)要寫入數(shù)據(jù)全部被裝進(jìn)寄存器A時(shí)，再給AD7543一個(gè)裝載負(fù)脈沖(LD1和LD2均為低電平)，把移位寄存器A的內(nèi)容裝到寄存器B中，通過(guò)后續(xù)電路完成D／A轉(zhuǎn)換。當(dāng)CLR為低電平時(shí)，寄存器B的數(shù)據(jù)被清零，輸出的電壓為零，簡(jiǎn)化初始化過(guò)程。圖2為AD7543數(shù)／模轉(zhuǎn)換(D／A)的工作時(shí)序圖。

　　2 基于AD7543的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

　　圖3為基于AD7543數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器電路，由于AD7543的內(nèi)部無(wú)運(yùn)算大器，輸出為電流形式，在應(yīng)用中，必須外接一個(gè)運(yùn)放器，因此，AD7543的第1和2腳分別接在LM324運(yùn)放的反向輸入口與同相輸入口，AD7543的第15腳(參考電壓輸入端)接在-10 V的電源上，當(dāng)寄存器B的位數(shù)全為高電平時(shí)，輸出電平接近10 V。AD7543的輸入時(shí)序信號(hào)CLR，STB2，LD和SRI由外接的可編程邏輯器件(FPGA)產(chǎn)生。AD7543的第8腳和11腳接地。運(yùn)放器LM324正負(fù)電源引腳分別接在正負(fù)12 V的電源上。

　　3 AD7543工作時(shí)序FPGA實(shí)現(xiàn)

　　AD7543是串行輸入數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片，被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是逐位寫進(jìn)AD7543中，因此，AD7543工作時(shí)，要有正確的工作時(shí)序，工作時(shí)序在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境中利用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL描述。QuartusⅡ是Altera公司的EDA開發(fā)工具，它是集設(shè)計(jì)輸入、編譯、邏輯綜合、器件引腳管理、功能仿真、定時(shí)分析、編程下載等于一體的可編程邏輯器件設(shè)計(jì)環(huán)境。

　　在設(shè)計(jì)中，為了降低設(shè)計(jì)成本，F(xiàn)PGA采用Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片。。EP1C6Q240C8芯片，不僅集成了5 980個(gè)邏輯單元 (LEs)，還集成了20個(gè)4 KB雙口存儲(chǔ)單元(M4KRAM BLock)和92 160 b的普通高速RAM等資源。

打開Quartus II軟件，新建一個(gè)工程管理文件。在工程管理文件中，新建一個(gè)Verilog HDL源程序文件，用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL編寫程序，實(shí)現(xiàn)控制功能，其代碼如下：

　　4 FPGA時(shí)序模塊仿真

　　為了進(jìn)一步的驗(yàn)證FPGA控制器模塊的正確性，在下載到目標(biāo)器件之前，可以對(duì)此模塊進(jìn)行時(shí)序仿真。在工程文件中，首先要新建一個(gè)以vwf結(jié)尾的波形文件。在彈出的對(duì)話框中添加要觀察的引腳，然后再設(shè)定時(shí)鐘相關(guān)參數(shù)和保存波形文件，最后在編譯頂層文件之后，可對(duì)此模塊進(jìn)行仿真。如圖4為FPGA控制器模塊仿真波形，CLOCK為此模塊的工作時(shí)鐘，時(shí)間周期設(shè)為40 ns；ida為并行輸入數(shù)據(jù)，STI為串行輸出，STB1為選通脈沖信號(hào)。由圖可知，STB1的上升沿把STI引腳上的數(shù)據(jù)裝入寄存器A中，裝滿寄存器A后，LOD設(shè)為低電平，把寄存器A的內(nèi)容裝入寄存器B中。仿真時(shí)序與圖1的時(shí)序一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　針對(duì)采用軟件控制AD7543數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片所具有的缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用硬件(FPGA)直接對(duì)AD7543轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制的方式來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路，給出具體的硬件實(shí)現(xiàn)電路和控制器的Verilog HDL實(shí)現(xiàn)代碼。因?yàn)镕PGA控制器是一個(gè)獨(dú)立單元，它幾乎不需要CPU的干預(yù)就能工作，在電路中分擔(dān)了CPU的工作量，這不僅提高CPU實(shí)時(shí)處理信號(hào)能力，還會(huì)提高系統(tǒng)的可靠性，具有一定的實(shí)用價(jià)值與參考價(jià)值。在此設(shè)計(jì)了基于FPGA與AD7543轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路，AD7543的工作時(shí)序全部用FPGA器件產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的可靠性。