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原创小梅哥和你一起深入学习FPGA之DAC驱动

 2014-12-27 14:32  3110 18 23 分类: FPGA/CPLD 文集: FPGA深入学习

本实验中，我们使用FPGA来驱动了一片DAC芯片TLC5620，该芯片的特性如下所示：

TLC5620特性：

4路8位电压输出；

单电源5V供电；

串行接口；

参考电压输入高阻；

可编程的1次或2次输出范围；

同时更新的能力；

内部自带上电复位功能；

低功耗；

半缓冲输出。

小梅哥设计的该芯片的驱动模块的接口如下所示：

各个端口定义如下：

以下是代码片段：

input Clk;

input Rst_n;

input Do_DA; /*使能单次转换*/

input [10:0]Data;/*{Addr1,Addr0,Range,Data_bit[7:0]}*/

output reg DAC_Dout; /*DAC数据线*/

output reg DAC_Clk; /*DAC时钟线，最高速度1M*/

output reg DAC_LDAC; /**/

output reg DAC_LOAD; /**/

output reg DA_Done; /*单次转换完成标志信号*/

该芯片提供了类似于SPI的数字接口，因此，我们只需要使用该接口与芯片进行通信，再配合LOAD和LDAC两个控制线，即可实现对该DAC芯片的控制。TLC5620一次转换的操作时序如下：

图1 TLC5620单次转换时序图

TLC5620每次写入的数据为11位，其中前两位为DAC选择位A1、A0，通过不同的组合可以选择不同通道的DAC，具体分配为：

表1 DAC通道选择位与对应通道关系

第三位是电压输出增益位，0代表不变，1代表两倍，当设定参考电压为2.5V时，取这一位为1就可以得到最高5V的输出电压。后面8位是数据位，其中第四位是数据的最高位。对于TLC5620的输出电压公式是：

VO＝VREF ×CODE/256×（1+RNG）

VREF是参考电压，CODE是待转换的8位二进制代码，RNG是增益倍数。

写入数据时，首先LOAD和LDAC写高电平，这样在CLK的每个下降沿写入的每位数据被锁存到DATA端，当11位数据传送完毕后，拉低LOAD，芯片根据前两位数据，判断是哪一路DAC通道，然后将8位数据移入相应的通道，进行DA转换，这时拉低LDAC，再拉高LDAC，就可以再下次转化之前，保持此次的模拟输出。

TLC5620正常工作时的具体电压和时间参数如下表所示，通过该表，可知该芯片串行数字接口的时钟信号（CLK）最高为1MHz。该参数将作为我们采用FPGA产生TLC5620数字接口时钟的依据。同时，还有输入数据建立时间t_su(data-clk)为50ns，即，FPGA数据送出，到能够被TLC5620正常读取，至少需要50ns，因此FPGA单位数据输出保持时间不得少于50ns。t_v(data-clk)为时钟下降沿到来后多久时间数据线上的数据才能被芯片内部采集，该时间确定了，时钟下降沿出现多久后，数据线上的数据可以被更新。t_su(LOAD-LDAC)为LOAD的上升沿到LDAC下降沿的建立时间，这里最小为0ns，因此忽略，即两者同时发生即可。t_w(LDAC)为LDAC低电平所需的最短时间，为250ns。

表2 TLC5620关键参数

通过对TLC5620一次完整转换的时序进行分析，列出以下序列机对应的序列点：该序列机总共包含26个点，其中，当Cnt1=0（ST0）时，为空闲态，ST1—ST22为数据发送状态，ST23时拉低LOAD，即将数据加载入对应通道的DAC中，ST24时释放LOAD，同时拉低LDAC，以产生LDAC的下降沿，将对应通道的模拟输出保持住。ST25拉高LDAC，完成一次转换。

ST0	Cnt1 == 0	DAC_Dout = 1; DAC_Clk = 0; DAC_LOAD = 1; DAC_LDAC = 1; DA_Done = 1;
ST1	Cnt1 == 1	DAC_Dout = Data_r[10]; DAC_Clk = 1; DA_Done = 0;
ST2	Cnt1 == 2	DAC_Clk = 0;
ST3	Cnt1 == 3	DAC_Dout = Data_r[9]; DAC_Clk = 1;
ST4	Cnt1 == 4	DAC_Clk = 0;
ST5	Cnt1 == 5	DAC_Dout = Data_r[8]; DAC_Clk = 1;
ST6	Cnt1 == 6	DAC_Clk = 0;
ST7	Cnt1 == 7	DAC_Dout = Data_r[7]; DAC_Clk = 1;
ST8	Cnt1 == 8	DAC_Clk = 0;
ST9	Cnt1 == 9	DAC_Dout = Data_r[6]; DAC_Clk = 1;
ST10	Cnt1 == 10	DAC_Clk = 0;
ST11	Cnt1 == 11	DAC_Dout = Data_r[5]; DAC_Clk = 1;
ST12	Cnt1 == 12	DAC_Clk = 0;
ST13	Cnt1 == 13	DAC_Dout = Data_r[4]; DAC_Clk = 1;
ST14	Cnt1 == 14	DAC_Clk = 0;
ST15	Cnt1 == 15	DAC_Dout = Data_r[3]; DAC_Clk = 1;
ST16	Cnt1 == 16	DAC_Clk = 0;
ST17	Cnt1 == 17	DAC_Dout = Data_r[2]; DAC_Clk = 1;
ST18	Cnt1 == 18	DAC_Clk = 0;
ST19	Cnt1 == 19	DAC_Dout = Data_r[1]; DAC_Clk = 1;
ST20	Cnt1 == 20	DAC_Clk = 0;
ST21	Cnt1 == 21	DAC_Dout = Data_r[0]; DAC_Clk = 1;
ST22	Cnt1 == 22	DAC_Clk = 0;
ST23	Cnt1 == 23	DAC_LOAD = 0;
ST24	Cnt1 == 24	DAC_LOAD = 1; DAC_LDAC = 0;
ST25	Cnt1 == 25	DAC_LDAC = 1; DA_Done = 1;

表3 TLC5620单次转换控制序列机

序列机的计数器计数条件如下，

Cnt_state == 0 \| Cnt1 == 25	Cnt1 <= 0;
Cnt_state == 1 & Cnt1 < 25	Cnt1 <= Cnt1 + 1’b1

表4 TLC5620序列机计数器计数条件

线性序列机计数器Cnt1的控制代码如下：

以下是代码片段：
always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
  Cnt1 <= 5'd0;
else if(Cnt_State == DO_CNT)
begin
  if(Cnt1 == 5'd25)
   Cnt1 <= 5'd0;
  else if(Cnt2 == Cnt2_Top)
   Cnt1 <= Cnt1 + 1'b1;
  else
   Cnt1 <= Cnt1;
end
else
  Cnt1 <= 5'd0;

其中，涉及到了两个状态，当Cnt_State = 0时，表示没有转换请求，即系统处于空闲状态，DAC不工作，当外部有转换请求时，则系统进入转换状态，每当计数使能信号到来时，Cnt1自加一，当Cnt1=25后，表明一次转换完成，将计数器清零，同时状态跳回空闲态，等待下一次使能信号的到来。具体的状态转移图如下所示：

图2 系统状态转移图

该状态机的代码对应如下：

以下是代码片段：
always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
  Cnt_State <= IDEL;
else
begin
  case(Cnt_State)
   IDEL:
    if(Do_DA)
     Cnt_State <= DO_CNT;
    else
     Cnt_State <= IDEL;

   DO_CNT:
    if(Cnt1 == 5'd25)
     Cnt_State <= IDEL;
    else
     Cnt_State <= DO_CNT;
   default:;
  endcase
end

因此，我们，只需要将Do_DA给出1个时钟周期的高脉冲，即可启动一次转换。同时，在检测到该脉冲时，模块内部会将数据端口Data上的数据读入到内部数据寄存器中，代码如下：

以下是代码片段：
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
  Data_r <= 10'd0;
else if(Do_DA)
  Data_r <= Data;
else
  Data_r <= Data_r;

同时，为了产生1MHz的时钟，系统中使用了一个计数器Cnt2来专门产生该信号，该计数器对系统时钟进行计数，如当系统时钟为50M（周期为20ns）时，Cnt2计数到24，即计数了500ns，产生一个时钟周期的标志信号，则Cnt1在检测到这个标志信号后，便会自加1，因此，该标志信号出现两次则表明计时1000ns，对应时钟频率为1Mhz，即DAC芯片数字接口的时钟频率。该部分代码如下：

以下是代码片段：
always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
  Cnt2 <= 5'd0;
else if(Cnt_State == DO_CNT)
begin
  if(Cnt2 == Cnt2_Top)
   Cnt2 <= 5'd0;
  else
   Cnt2 <= Cnt2 + 1'b1;
end
else
  Cnt2 <= 5'd0;

为了兼容不同的系统时钟，这里采用参数化定制，得出对应的计数最大值，具体代码如下：

以下是代码片段：

Localparam system_clk = 50_000_000; /*系统时钟*/

Localparam Cnt2_Top = system_clk / 1_000_000 / 2 - 1; /*500ns技术器计数最大值*/

系统时钟设置为50M，则计数最大值为50000000/1000000/2– 1 = 24，当系统时钟改变后，只需要修改system_clk的值，即可保证Cnt2计数一次的时间为500ns。

最后，附上主序列中的操作代码：

以下是代码片段：
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
begin
  DAC_Dout <= 1;
  DAC_Clk <= 0;
  DAC_LOAD <= 1;
  DAC_LDAC <= 1;
  DA_Done <= 1;
end
else
begin
  case(Cnt1)
   0:
    begin
     DAC_Dout <= 1;
     DAC_Clk <= 0;
     DAC_LOAD <= 1;
     DAC_LDAC <= 1;
     DA_Done <= 1;
    end
   1:begin DAC_Dout <= Data_r[10]; DAC_Clk <= 1;DA_Done <= 0;end
   2:DAC_Clk <= 0;
   3:begin DAC_Dout <= Data_r[9]; DAC_Clk <= 1;end
   4:DAC_Clk <= 0;
   5:begin DAC_Dout <= Data_r[8]; DAC_Clk <= 1;end
   6:DAC_Clk <= 0;
   7:begin DAC_Dout <= Data_r[7]; DAC_Clk <= 1;end
   8:DAC_Clk <= 0;
   9:begin DAC_Dout <= Data_r[6]; DAC_Clk <= 1;end
   10:DAC_Clk <= 0;
   11:begin DAC_Dout <= Data_r[5]; DAC_Clk <= 1;end
   12:DAC_Clk <= 0;
   13:begin DAC_Dout <= Data_r[4]; DAC_Clk <= 1;end
   14:DAC_Clk <= 0;
   15:begin DAC_Dout <= Data_r[3]; DAC_Clk <= 1;end
   16:DAC_Clk <= 0;
   17:begin DAC_Dout <= Data_r[2]; DAC_Clk <= 1;end
   18:DAC_Clk <= 0;
   19:begin DAC_Dout <= Data_r[1]; DAC_Clk <= 1;end
   20:DAC_Clk <= 0;
   21:begin DAC_Dout <= Data_r[0]; DAC_Clk <= 1;end
   22:DAC_Clk <= 0;
   23:DAC_LOAD <= 0;
   24:begin DAC_LOAD <= 1; DAC_LDAC <= 0; end
   25:begin DAC_LDAC <= 1; DA_Done <= 1; end
   default:;
  endcase
end

该设计的仿真结果如下如所示：

由该仿真结果可知，时钟频率为1MHz，满足芯片工作要求，其它时序均与手册给出的时序保持一致。为了设计简洁，这里将LOAD和LDAC的低电平脉冲时间都设置为了500ns，而非最小时间250ns，这里主要是为了方便序列机的设计。当然，如此设计在一定程度上会影响DAC 的转换速率，不过在大多数应用场合已经足够，如需更加高效的设计，只需要对代码稍加修改即可。

本驱动的testbench编写较为简单，这里只附上对应代码，不做详细解释：

以下是代码片段：

`timescale 1ns/1ns

module TLC5620_Driver_tb;

reg Clk;
reg Rst_n;
reg Do_DA; /*使能单次转换*/
reg [10:0]Data;/*{Addr1,Addr0,Range,Data_bit[7:0]}*/

wire DAC_Dout; /*DAC数据线*/
wire DAC_Clk; /*DAC时钟线，最高速度1M*/
wire DAC_LDAC; /**/
wire DAC_LOAD; /**/

wire DA_Done; /*单次转换完成标志信号*/

TLC5620_Driver u1(
  .Clk(Clk),
  .Rst_n(Rst_n),
  .Do_DA(Do_DA),
  .Data(Data),
  .DAC_Dout(DAC_Dout),
  .DAC_Clk(DAC_Clk),
  .DAC_LDAC(DAC_LDAC),
  .DAC_LOAD(DAC_LOAD),
  .DA_Done(DA_Done)
);

initial begin
  Clk = 1;
  Rst_n = 0;
  Do_DA = 0;
  Data = 11'd0;
  #200;
  Rst_n = 1;
  #400;
  Data = 11'b110_1011_1001;
  Do_DA = 1;
  @(posedge DA_Done)
  Data = 11'b110_0000_1111;
  #20
  Do_DA = 1;
  #20;
  Do_DA = 0;
  @(posedge DA_Done)
  Data = 11'b110_1111_0000;
  #20
  Do_DA = 1;
  #20;
  Do_DA = 0;
  @(posedge DA_Done)
  #400;
  $stop;
end

always #10 Clk = ~Clk;

endmodule