【正点原子FPGA连载】 第二十六章 高速AD/DA实验-摘自【正点原子】领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V2.0

1）实验平台：正点原子领航者ZYNQ开发板 2）平台购买地址：https://item.taobao.com/item.htm?&id=606160108761 3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-301505-1-1.html 4）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：994244016 5）关注正点原子公众号，获取最新资料更新

第二十六章 高速AD/DA实验

ADC/DAC（Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Converter，即模数转换器/数模转换器）是大多数系统中必不可少的组成部件，用于将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，或者将离散的数字信号转换成连续的模拟信号，它们是连接模电电路和数字电路必不可少的桥梁。在很多场合下，ADC/DAC的转换速度甚至直接决定了整个系统的运行速度。本章我们将使用高速DA芯片实现数模转换，产生正弦波模拟电压信号，并通过高速AD芯片将模拟信号转换成数字信号。 本章包括以下几个部分： 1.1 高速AD-DA简介 1.2 实验任务 1.3 硬件设计 1.4 程序设计 1.5 下载验证   1.1 高速AD/DA简介 本章我们使用的AD-DA模块是正点原子推出的一款高速模数-数模转换模块（ATK_HS_AD_DA），高速AD转换芯片和高速DA转换芯片都是由ADI公司生产的，分别是AD9280/3PA9280（两款芯片兼容）和AD9708。 ATK_HS_AD_DA模块的硬件结构图如下图所示。

图 7.5.13.1 ATK_HS_AD_DA模块硬件结构图 由上可知，AD9708芯片输出的是一对差分电流信号，为了防止受到噪声干扰，电路中接入了低通滤波器，然后通过高性能和高带宽的运放电路，实现差分变单端以及幅度调节等功能，使整个电路性能得到了最大限度的提升，最终输出的模拟电压范围是-5V~+5V。 AD9280芯片的输入模拟电压转换范围是0V2V，所以电压输入端需要先经过电压衰减电路，使输入的-5V+5V之间的电压衰减到0V~2V之间，然后经过AD9280芯片将模拟电压信号转换成数字信号。 下面我们分别介绍下这两个芯片。 AD9708芯片 AD9708是ADI公司（Analog Devices，Inc.，亚德诺半导体技术有限公司）生产的TxDAC系列数模转换器，具有高性能、低功耗的特点。AD9708的数模转换位数为8位，最大转换速度为125MSPS（每秒采样百万次Million Samples per Second）。 AD9708的内部功能框图如下图所示：

图 7.5.13.2 AD9708内部功能框图 AD9708在时钟（CLOCK）的驱动下工作，内部集成了+1.2V参考电压(+1.20V REF)、运算放大器、电流源（CURRENT SOURCE ARRAY）和锁存器（LATCHES）。两个电流输出端IOUTA和IOUTB为一对差分电流，当输入数据为0（DB7DB0=8’h00）时，IOUTA的输出电流为0，而IOUTB的输出电流达到最大，最大值的大小跟参考电压有关；当输入数据全为高点平（DB7DB0=8’hff）时，IOUTA的输出电流达到最大，最大值的大小跟参考电压有关，而IOUTB的输出电流为0。 AD9708必须在时钟的驱动下才能把数据写入片内的锁存器中，其触发方式为上升沿触发，AD9708的时序图如下图所示：

图 7.5.13.3 AD9708时序图 上图中的DBO-DB7和CLOCK是AD9708的8位输入数据和输入时钟，IOUTA和IOUTB为AD9708输出的电流信号。由上图可知，数据在时钟的上升沿锁存，因此我们可以在时钟的下降沿发送数据。需要注意的是，CLOCK的时钟频率越快，AD9708的数模转换速度越快，AD9708的时钟频率最快为125Mhz。 IOUTA和IOUTB为AD9708输出的一对差分电流信号，通过外部电路低通滤波器与运放电路输出模拟电压信号，电压范围是-5V至+5V之间。当输入数据等于0时，AD9708输出的电压值为5V；当输入数据等于255（8’hff）时，AD9708输出的电压值为-5V。 AD9708是一款数字信号转模拟信号的器件，内部没有集成DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）的功能，但是可以通过控制AD9708的输入数据，使其模拟DDS的功能。例如，我们使用AD9708输出一个正弦波模拟电压信号，那么我们只需要将AD9708的输入数据按照正弦波的波形变化即可，下图为AD9708的输入数据和输出电压值按照正弦波变化的波形图。

图 7.5.13.4 AD9708正弦波数据（左）、电压值（右） 由上图可知，数据在0至255之间按照正弦波的波形变化，最终得到的电压也会按照正弦波波形变化，当输入数据重复按照正弦波的波形数据变化时，那么AD9708就可以持续不断的输出正弦波的模拟电压波形。需要注意的是，最终得到的AD9708的输出电压变化范围由其外部电路决定的，当输入数据为0时，AD9708输出+5V的电压；当输入数据为255时，AD9708输出-5V的电压。 由此可以看出，只要输入的数据控制的得当，AD9708可以输出任意波形的模拟电压信号，包括正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形。 在了解完高速DA转换芯片后，接下来我们介绍下高速AD转换芯片AD9280。 AD9280芯片 AD9280是ADI公司生产的一款单芯片、8位、32MSPS（Million Samples Per Second，每秒采样百万次）模数转换器，具有高性能、低功耗的特点。 AD9280的内部功能框图如下图所示：

图 7.5.13.5 AD9280内部功能框图 AD9280在时钟（CLK）的驱动下工作，用于控制所有内部转换的周期；AD9280内置片内采样保持放大器（SHA），同时采用多级差分流水线架构，保证了32MSPS的数据转换速率下全温度范围内无失码；AD9280内部集成了可编程的基准源，根据系统需要也可以选择外部高精度基准满足系统的要求。 AD9280输出的数据以二进制格式表示，当输入的模拟电压超出量程时，会拉高OTR（out-of-range）信号；当输入的模拟电压在量程范围内时，OTR信号为低电平，因此可以通过OTR信号来判断输入的模拟电压是否在测量范围内。 AD9280的时序图如下图所示：

图 7.5.13.6 AD9280时序图 模拟信号转换成数字信号并不是当前周期就能转换完成，从采集模拟信号开始到输出数据需要经过3个时钟周期。比如上图中在时钟CLK的上升沿沿采集的模拟电压信号S1，经过3个时钟周期后（实际上再加上25ns的时间延时），输出转换后的数据DATA1。需要注意的是，AD9280芯片的最大转换速度是32MSPS，即输入的时钟最大频率为32MHz。 AD9280支持输入的模拟电压范围是0V至2V，0V对应输出的数字信号为0，2V对应输出的数字信号为255。而AD9708经外部电路后，输出的电压范围是-5V+5V，因此在AD9280的模拟输入端增加电压衰减电路，使-5V+5V之间的电压转换成0V至2V之间。那么实际上对我们用户使用来说，当AD9280的模拟输入接口连接-5V电压时，AD输出的数据为0；当AD9280的模拟输入接口连接+5V电压时，AD输出的数据为255。 当AD9280模拟输入端接-5V至+5V之间变化的正弦波电压信号时，其转换后的数据也是成正弦波波形变化，转换波形如下图所示：

图 7.5.13.7 AD9280正弦波模拟电压值（左）、数据（右） 由上图可知，输入的模拟电压范围在-5V至5V之间，按照正弦波波形变化，最终得到的数据也是按照正弦波波形变化。 1.2 实验任务 本节实验任务是使用领航者ZYNQ开发板及高速AD-DA扩展模块（ATK_HS_AD_DA模块）实现数模及模数的转换。首先ZYNQ PL产生正弦波变化的数字信号，经过DA芯片后转换成模拟信号，将DA的模拟电压输出端连接至AD的模拟电压输入端，AD芯片将模拟信号转换成数字信号，然后通过ILA观察数字信号的波形是否按照正弦波波形变化。 1.3 硬件设计 ATK_HS_AD_DA模块由DA转换芯片（AD9708）和AD转换芯片（AD9280）组成。AD9708的原理图如下图所示。

图 7.5.13.1 AD9708原理图 由上图可知，AD9708输出的一对差分电流信号先经过滤波器，再经过运放电路得到一个单端的模拟电压信号。图中右侧的W1为滑动变阻器，可以调节输出的电压范围，推荐通过调节滑动变阻器，使输出的电压范围在-5V至+5V之间，从而达到AD转换芯片的最大转换范围。 AD9280的原理图如下图所示。

图 7.5.13.2 AD9280原理图 上图中输入的模拟信号SMA_IN（VI）经过衰减电路后得到AD_IN2（VO）信号，两个模拟电压信号之间的关系是VO=VI/5+1，即当VI=5V时，VO=2V；VI=-5V时，VO=0V。 ATK_HS_AD_DA模块的实物图如下图所示。

图 7.5.13.3 ATK-HS-AD-DA模块实物图 本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示。 表 26.3.1 高速AD-DA转换实验管脚分配 信号名 方向 管脚 端口说明 电平标准

对应的XDC约束语句如下所示： #时序约束

create_clock -period 20.000 -name sys_clk [get_ports sys_clk]

#IO管脚约束
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN U18} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN N16} [get_ports sys_rst_n]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN Y18} [get_ports {da_data[7]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN Y19} [get_ports {da_data[6]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN P15} [get_ports {da_data[5]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN P16} [get_ports {da_data[4]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN W18} [get_ports {da_data[3]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN W19} [get_ports {da_data[2]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN R16} [get_ports {da_data[1]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN R17} [get_ports {da_data[0]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN R18} [get_ports da_clk]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN U17} [get_ports {ad_data[7]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN T16} [get_ports {ad_data[6]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN Y16} [get_ports {ad_data[5]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN Y17} [get_ports {ad_data[4]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN T15} [get_ports {ad_data[3]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN T14} [get_ports {ad_data[2]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN W16} [get_ports {ad_data[1]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN V16} [get_ports {ad_data[0]}]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN V18} [get_ports ad_clk]
set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN V17} [get_ports ad_otr]

1.4 程序设计 根据本章的实验任务，ZYNQ需要连续输出正弦波波形的数据，才能使AD9708连续输出正弦波波形的模拟电压，如果通过编写代码使用三角函数公式运算的方式输出正弦波数据，那么程序设计会变得非常复杂。在工程应用中，一般将正弦波波形数据存储在RAM或者ROM中，由于本次实验并不需要写数据到RAM中，因此我们将正弦波波形数据存储在只读的ROM中，直接读取ROM中的数据发送给DA转换芯片即可。 图 7.5.13.1是根据本章实验任务画出的系统框图。ROM里面事先存储好了正弦波波形的数据，DA数据发送模块从ROM中读取数据，将数据和时钟送到AD9708的输入数据端口和输入时钟端口；AD数据接收模块给AD9280输出驱动时钟信号和使能信号，并采集AD9280输出模数转换完成的数据。 高速AD/DA实验的系统框图如图 7.5.13.1所示：

图 7.5.13.1 高速AD/DA系统框图 顶层模块的原理图如下图所示：

图 7.5.13.2 顶层模块原理图 FPGA顶层模块（hs_ad_da）例化了以下三个模块：DA数据发送模块（da_wave_send）、ROM波形存储模块（rom_256x8b）和AD数据接收模块（ad_wave_rec）。 DA数据发送模块（da_wave_send）：DA数据发送模块输出读ROM地址，将输入的ROM数据发送至DA转换芯片的数据端口。 ROM波形存储模块（rom_256x8b）：ROM波形存储模块由Vivado软件自带的Block Memory Generator IP核实现，其存储的波形数据可以使用波形转存储文件的上位机来生成.coe文件。 AD数据接收模块（ad_wave_rec）：AD数据接收模块输出AD转换芯片的驱动时钟和使能信号，随后接收AD转换完成的数据。 顶层模块的代码如下：

1  module hs_ad_da(
2      input                 sys_clk     ,  //系统时钟
3      input                 sys_rst_n   ,  //系统复位，低电平有效
4      //DA芯片接口
5      output                da_clk      ,  //DA(AD9708)驱动时钟,最大支持125Mhz时钟
6      output    [7:0]       da_data     ,  //输出给DA的数据
7      //AD芯片接口
8      input     [7:0]       ad_data     ,  //AD输入数据
9      //模拟输入电压超出量程标志(本次试验未用到)
10     input                 ad_otr      ,  //0:在量程范围 1:超出量程
11     output                ad_clk         //AD(AD9280)驱动时钟,最大支持32Mhz时钟 
12 );
13 
14 //wire define 
15 wire      [7:0]    rd_addr;              //ROM读地址
16 wire      [7:0]    rd_data;              //ROM读出的数据
17 //*****************************************************
18 //**                    main code
19 //*****************************************************
20 
21 //DA数据发送
22 da_wave_send u_da_wave_send(
23     .clk         (sys_clk), 
24     .rst_n       (sys_rst_n),
25     .rd_data     (rd_data),
26     .rd_addr     (rd_addr),
27     .da_clk      (da_clk),  
28     .da_data     (da_data)
29     );
30 
31 //ROM存储波形
32 rom_256x8b  u_rom_256x8b (
33   .clka  (sys_clk),    // input wire clka
34   .addra (rd_addr),    // input wire [7 : 0] addra
35   .douta (rd_data)     // output wire [7 : 0] douta
36 );
37 
38 //AD数据接收
39 ad_wave_rec u_ad_wave_rec(
40     .clk         (sys_clk),
41     .rst_n       (sys_rst_n),
42     .ad_data     (ad_data),
43     .ad_otr      (ad_otr),
44     .ad_clk      (ad_clk)
45     );    
46 
47 //ILA采集AD数据
48 ila_0  ila_0 (
49     .clk         (ad_clk ), // input wire clk
50     .probe0      (ad_otr ), // input wire [0:0]  probe0  
51     .probe1      (ad_data)  // input wire [7:0]  probe0  
52 );
53 
54 endmodule

DA数据发送模块输出的读ROM地址（rd_addr）连接至ROM模块的地址输入端，ROM模块输出的数据（rd_data）连接至DA数据发送模块的数据输入端，从而完成了从ROM中读取数据的功能。 在代码的第32至36行例化了ROM模块，由Block Memory Generator IP核配置生成。 代码的第48行例化了一个ILA的IP核，用于捕获ad_otr和ad_data的数据。需要注意的是，ILA的采样时钟必须使用ad_clk，否则数据可能采集错误。ILA IP核的配置如下图所示：

图 7.5.13.3 ILA IP核的Genaral Options配置 我们把探针数量设置为2，并且把采样深度设置为4096。探针宽度的设置如下图所示：

图 7.5.13.4 ILA IP核的Probe_Ports配置 我们将两个探针的位宽设置成1和8，分别对应ad_otr和ad_data的位宽，设置完成后点击“OK”按钮即可。 我们在前面说过，ROM中存储的波形数据可以使用上位机波形转COE软件生成，在这里我们介绍一个简单易用的波形转COE工具的使用方法，该工具位于开发板所随附的资料“6_软件资料/1_软件/WaveToMem”目录下，双击“WaveToMem_V1.2.exe”运行软件。 接下来我们对软件进行设置，如图 7.5.13.5所示，这里对软件界面做个简单的介绍。 位宽：波形数据的位宽。由于ATK_HS_AD_DA模块的DA芯片数据位宽为8位，因此这里保持默认，即设置成8位。 深度：一个波形周期包含了多少个数据量。这里保持默认，即设置成256。需要说明的是，在用Block Memory Generator IP核生成ROM时，配置ROM的宽度和深度和上位机设置的位宽和深度保持一致。 波形频率设置：对波形倍频，倍数值越大，最终生成的波形频率越快（频率太高，可能导致波形失真），这里保持默认，即设置成1位。 波形类型：软件支持将正弦波、方波、锯齿波和三角波的波形转换成存储波形格式的文件。 生成文件：软件支持将波形转换成COE（Vivado软件支持的存储格式）和MIF（Quartus软件支持的存储格式）格式文件，这里保持默认，即选中COE文件格式。 然后点击“一键生成”按钮，在弹出的界面中选择COE文件的存放路径并输入文件名，这里将COE文件保存在工程的doc文件夹下。WaveToMem转换过程中的软件界面如下图所示：

图 7.5.13.5 WaveToMem软件界面 使用Notepad++代码编辑器打开生成的COE文件后如下图所示：

图 26.4.6 COE文件打开界面 工程中创建了一个单端口ROM，并命名为“rom_256x8b”，在调用Block Memory Generator IP核时，“Basic”选项也配置如下图所示：

图 26.4.7 Block Memory Generator IP核的Basic配置页面 我们将其接口类型设置为“Native”、Memory Type设置为“Single Port ROM”，即单端口ROM。 “Port A Options”选项页的配置页面如下图所示：

图 26.4.8 Block Memory Generator IP核的PortA Options配置页面 我们将PortA的位宽设置为8，深度设置为256，以存储上位机生成的256个数据。此外，将使能引脚的类型设置为“Always Enabled”，即ROM一直处于使能的状态。 接下来配置“Other Options”选项页，加载刚才生成的.coe文件，如下图所示：

图 26.4.9 Block Memory Generator IP核的Other Options配置页面 最后点击“OK”按钮完成IP核的配置。 DA数据发送模块的代码如下：

1  module da_wave_send(
2      input                 clk    ,  //时钟
3      input                 rst_n  ,  //复位信号，低电平有效
4      
5      input        [7:0]    rd_data,  //ROM读出的数据
6      output  reg  [7:0]    rd_addr,  //读ROM地址
7      //DA芯片接口
8      output                da_clk ,  //DA(AD9708)驱动时钟,最大支持125Mhz时钟
9      output       [7:0]    da_data   //输出给DA的数据  
10     );
11 
12 //parameter
13 //频率调节控制
14 parameter  FREQ_ADJ = 8'd5;  //频率调节,FREQ_ADJ的值越大,最终输出的频率越低,范围0~255
15 
16 //reg define
17 reg    [7:0]    freq_cnt  ;  //频率调节计数器
18 
19 //*****************************************************
20 //**                    main code
21 //*****************************************************
22 
23 //数据rd_data是在clk的上升沿更新的，所以DA芯片在clk的下降沿

锁存数据是稳定的时刻
24 //而DA实际上在da_clk的上升沿锁存数据,所以时钟取反,这样clk的下降沿相当于da_clk的上升沿
25 assign  da_clk = ~clk;       
26 assign  da_data = rd_data;   //将读到的ROM数据赋值给DA数据端口
27 
28 //频率调节计数器
29 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
30     if(rst_n == 1'b0)
31         freq_cnt