【正点原子FPGA连载】第三十六章双路高速DA实验 -摘自【正点原子】新起点之FPGA开发指南_V2.1

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第三十六章双路高速DA实验

DAC（Digital to Analog Converter，即数模转换器）是大多数系统中必不可少的组成部件，用于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， 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。 本章包括以下几个部分： 3535.1简介 35.2实验任务 35.3硬件设计 35.4程序设计 35.5下载验证 36.1简介 本章我们使用的双路DA模块是正点原子推出的一款双路高速数模转换模块（ATK_DUAL_HS_DA），高速DA转换芯片是由思瑞浦公司生产的3PD5651E芯片。 ATK_HS_AD_DA模块的硬件结构图如下图所示。

图 36.1.1 ATK_DUAL_HS_DA模块硬件结构图 由上可知，3PD5651E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。 下面来介绍下这款芯片。 3PD5651E是3PEAK公司（思瑞浦微电子科技股份有限公司）生产的DAC系列数模转换器，具有高性能、低功耗的特点。3PD5651E的数模转换位数为10位，最大转换速度为125MSPS（每秒采样百万次，Million Samples per Second）。 3PD5651E的内部功能框图如下图所示：

图 36.1.2 内部功能框图 3PD5651E在时钟（CLOCK）的驱动下工作，内部集成了+1.1V参考电压(+1.10V 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（DB9DB0=10’h000）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（DB9DB0=10’h3ff）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。 3PD5651E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，3PD5651E的时序图如下图所示：

图 36.1.3 芯片时序图

图 36.1.4 FPGA内部时序 如图 36.1.3中的DBO-DB9和CLOCK是3PD5651E的10位输入数据和为输入时钟，IOUTA和IOUTB为3PD5651E输出的电流信号。由图 36.1.3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，这样使DA芯片在数据的中央采样，保证数据采样的准确性，如图 36.1.4所示。需要注意的是，CLOCK的时钟频率越快，3PD5651E的数模转换速度越快，3PD5651E的时钟频率最快为125Mhz。 IOUTA和IOUTB为3PD5651E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，3PD5651E输出的电压值为5V；当输入数据等于10’h3ff时，3PD5651E输出的电压值为-5V。 3PD5651E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3PD5651E的输入数据，使其模拟DDS的功能。例如，我们使用3PD5651E输出一个正弦波模拟电压信号，那么我们只需要将3PD5651E的输入数据按照正弦波的波形变化即可，下图为3PD5651E的输入数据和输出电压值按照正弦波变化的波形图。

图 36.1.5 3PD5651E正弦波数据（左）、电压值（右） 由上图可知，数据在0至1023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3PD5651E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3PD5651E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，3PD5651E输出+5V的电压；当输入数据为1023时，3PD5651E输出-5V的电压。 由此可以看出，只要输入的数据控制的得当，3PD5651E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。 36.2实验任务 本节实验任务是使用新起点开发板及双路高速DA扩展模块（ATK_DUAL_HS_DA模块）实现数模转换。首先利用FPGA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，然后通过示波器观察模拟信号的波形是否按照正弦波波形变化。 36.3硬件设计 ATK_DUAL_HS_DA模块由2个型号为3PD5651E 的DA转换芯片组成。3PD5651E的原理图如下图所示。 图 36.3.1 芯片原理图 由上图可知，3PD5651E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RP1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DA转换芯片的最大转换范围。 ATK_DUAL_HS_DA模块的实物图如下图所示。 图 36.3.2 ATK_DUAL_HS_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。 表格 36.3.1 双路高速DA转换实验管脚分配 36.4程序设计 根据本章的实验任务，FPGA需要连续输出正弦波波形的数据，才能使3PD5651E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 36.4.1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3PD5651E芯片的输入数据端口和输入时钟端口。 双路高速DA实验的系统框图如图 36.4.1所示：

图 36.4.1 双路高速DA系统框图 顶层模块的原理图如下图所示：

图 36.4.2 顶层模块原理图 FPGA顶层模块（hs_dual_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_1024x10b）和时钟模块（clk_wiz_0）。 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_1024x10b）：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。 顶层模块的代码如下：

1   module hs_dual_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驱动时钟,最大支持125Mhz时钟
6       output    [9:0]       da_data     ,  //输出给DA的数据
7   
8       //DA芯片接口
9       output                da_clk1      ,  //DA驱动时钟,最大支持125Mhz时钟
10      output    [9:0]       da_data1        //输出给DA的数据    
11  );
12  
13  //wire define 
14  wire      [9:0]    rd_addr;              //ROM读地址
15  wire      [9:0]    rd_data;              //ROM读出的数据
16  //*****************************************************
17  //**                    main code
18  //*****************************************************
19  
20  assign  da_clk1 = da_clk;
21  assign  da_data1 = da_data;
22  
23  pll  u_pll(
24      .inclk0 (sys_clk),
25      .c0 (clk));
26  
27  //DA数据发送
28  da_wave_send u_da_wave_send(
29      .clk         (clk), 
30      .rst_n       (sys_rst_n),
31      .rd_data     (rd_data),
32      .rd_addr     (rd_addr),
33      .da_clk      (da_clk),  
34      .da_data     (da_data)
35      );
36  
37  //ROM存储波形
38  rom_1024x10b  u_rom_1024x10b(
39      .address    (rd_addr),
40      .clock      (clk),
41      .q          (rd_data)
42      );
43      
44  endmodule

在代码的第23至25行例化了时钟模块，倍频出125M时钟给DA芯片采样用。 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38至42行例化了ROM模块，由ROM IP核配置生成。在“高速ADDA试验”中已经讲解过rom的初始化，这里不再讲解。 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        [9:0]    rd_data     ,  //ROM读出的数据
6       output  reg  [9:0]    rd_addr     ,  //读ROM地址
7       //DA芯片接口
8       output                da_clk      ,  //DA驱动时钟,最大支持125Mhz时钟
9       output       [9:0]    da_data        //输出给DA的数据  
10      );
11  
12  //parameter
13  //频率调节控制
14  parameter  FREQ_ADJ = 10'd0;  //频率调节,FREQ_ADJ的越大,最终输出的频率越低,范围0~255
15  
16  //reg define
17  reg    [9:0]    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