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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，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應用。DAC基本上由4個部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡、運算放大器、基準電源和模擬開關(guān)。它是一種將二進制數(shù)字量形式的離散信號轉(zhuǎn)換成以參考電壓為基準的模擬量的轉(zhuǎn)換器。
本設(shè)計采用串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片TLC5620，TLC5620是一個擁有四路輸出的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，時鐘頻率最大可達到1MHz。TLC5620芯片接口如下：
該芯片主要有以下特點：四通道8位電壓輸出DA轉(zhuǎn)換器、5V單電源供電、串行接口、高阻抗基準輸入、可編程1或2輸出范圍、同時更新設(shè)備、內(nèi)部上電復位、低功耗、半緩沖輸出。該芯片主要應用于：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。
轉(zhuǎn)換公式：V = REF*（CODE/256）* (1+RNG)
V：實際電壓；REF：基準電壓；CODE：輸入8位數(shù)據(jù)；RNG：范圍。
TLC5620的接口時序如下列圖所示：
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LOAD為高電平時，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為低電平時進行鎖存，當LDAC變?yōu)榈碗娖綍r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8個時鐘周期。
在本設(shè)計中運用的是圖1的工作時序：
數(shù)據(jù)通道選擇：
RNG：控制DAC輸出范圍。當RNG為低時，輸出范圍在基準電壓和GND之間；當RNG為高時，輸出范圍為兩倍的基準電壓和GND。
本設(shè)計驅(qū)動TLC5620將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為實際的模擬量（電壓），通過四個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，同時在數(shù)碼管上也依次顯示相應的值（依次為A1,A0,RNG,輸入DATA）。本設(shè)計采用的開發(fā)板的基準電壓為2.5V。設(shè)計架構(gòu)圖如下所示：
key_test模塊通過四個按鍵輸入的值，組合輸出兩個數(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)計代碼:
key_test模塊代碼如下：
0 module key_test( //按鍵控制模塊
1 //端口信號：模塊的輸入輸出接口
2 input clk, //50MHZ
3 input rst_n, //低電平復位
4 input [3:0] key, //四個按鍵組合信號
5
6 output [10:0] wr_data, //輸出一幀數(shù)據(jù)，為DA模塊的輸入數(shù)字量
7 output [19:0] out_data //輸出數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)
8 );
9
10 //計數(shù)器時鐘分頻
11 reg [30:0] cnt;
12 reg clk_r; //分頻時鐘：在消除抖動的時鐘頻率下進行按鍵的檢測
13 always@(posedge clk or negedge rst_n) //按鍵消抖，時間為0.2s進行一次檢測
14 if(!rst_n)
15 begin
16 cnt <= 0;
17 clk_r <= 0;
18 end
19 else if(cnt < 30'd1000_0000)
20 cnt <= cnt + 1'b1;
21 else
22 begin
23 cnt <= 0;
24 clk_r <= ~clk_r;
25 end
26
27 //按鍵為低電平有效，當檢測到對應按鍵之后，相應數(shù)值加1，并顯示相應的通道
28 reg [7:0] data; //按鍵輸入數(shù)據(jù)
29 reg [1:0] channel; //通道選擇
30 reg [7:0] key1,key2,key3,key4; //相應四個按鍵
31 always@(posedge clk_r or negedge rst_n )
32 if(!rst_n)
33 begin
34 key1 <= 8'h00;
35 key2 <= 8'h00;
36 key3 <= 8'h00;
37 key4 <= 8'h00;
38 data <= 8'h00;
39 channel <= 2'b00;
40 end
41 else
42 case(key)
43 4'b1110 : begin //按鍵1：選擇通道A，且輸入數(shù)字量加1
44 channel <= 2'b00;
45 key1 <= key1 + 1'b1;
46 data <= key1;
47 end
48 4'b1101 : begin //按鍵2：選擇通道B，且輸入數(shù)字量加1
49 channel <= 2'b01;
50 key2 <= key2 + 1'b1;
51 data <= key2;
52 end
53 4'b1011 : begin //按鍵3：選擇通道C，且輸入數(shù)字量加1
54 channel <= 2'b10;
55 key3 <= key3 + 1'b1;
56 data <= key3;
57 end
58 4'b0111 : begin //按鍵4：選擇通道D，且輸入數(shù)字量加1
59 channel <= 2'b11;
60 key4 <= key4 + 1'b1;
61 data <= key4;
62 end
63 default :;
64 endcase
65
66 //用賦值語句將需要的數(shù)據(jù)組合起來，在此例中將RNG默認為1
67 assign wr_data = {channel,1'b1,data}; assignout_data={{3'b000,channel[1]},3'b000,channel[0],4'h1,data};
68
69 endmodule
TLC_DA模塊代碼如下：
0 module TLC_DA( //輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量模塊，本實驗用TLC5620
1 //端口信號：模塊的輸入輸出接口
2 input clk, //系統(tǒng)時鐘50MHz
3 input rst_n, //低電平復位
4 input [10:0] data_in, //輸入一幀數(shù)據(jù)
5 output da_data, //串行數(shù)據(jù)接口
6 output da_clk, //串行時鐘接口
7 output reg da_ldac, //更新控制信號
8 output reg da_load //串行加載控制接口
9 );
10
11 //計數(shù)器時鐘分頻：根據(jù)芯片內(nèi)部的時序要求進行分頻
12 reg [30:0] cnt;
13 wire da_clk_r; //TLC 5620內(nèi)部時鐘信號
14 always@(posedge clk or negedge rst_n) //滿足協(xié)議中的時鐘要求，在TLC 5620中時鐘要求不大于1MHZ
15 if(!rst_n)
16 cnt <= 6'd0;
17 else
18 cnt <= cnt + 1'b1;
19
20 assign da_clk_r = cnt[5];
21
22 //接收時序狀態(tài)機
23 reg [2:0] state;
24 reg [3:0] cnt_da;
25 reg da_data_r;
26 reg da_data_en; //限定da_data,da_clk的有效區(qū)域
27 always@(posedge da_clk_r or negedge rst_n)
28 if(!rst_n)
29 begin
30 state <= 0;
31 cnt_da <= 0;
32 da_load <= 1;
33 da_ldac <= 0;
34 da_data_r <= 1'b1;
35 da_data_en <= 0;
36 end
37 else
38 case(state)
39 0: state <= 1;
40 1: begin
41 da_load <= 1;
42 da_data_en <= 1;
43 if(cnt_da <= 10)
44 begin
45 cnt_da <= cnt_da + 1'b1;
46 case(cnt_da)
47 0: da_data_r <= data_in[10];
48 1: da_data_r <= data_in[9];
49 2: da_data_r <= data_in[8];
50 3: da_data_r <= data_in[7];
51 4: da_data_r <= data_in[6];
52 5: da_data_r <= data_in[5];
53 6: da_data_r <= data_in[4];
54 7: da_data_r <= data_in[3];
55 8: da_data_r <= data_in[2];
56 9: da_data_r <= data_in[1];
57 10: da_data_r <= data_in[0];
58 default:;
59 endcase
60 state <= 1;
61 end
62 else
63 begin
64 cnt_da <= 0;
65 state <= 2;
66 da_data_en <= 0;
67 end
68 end
69 2: begin
70 da_load <= 0;
71 state <= 3;
72 end
73 3: begin
74 da_load <= 1;
75 state <= 0;
76 end
77 default: state <= 0;
78 endcase
79
80 assign da_data = (da_data_en) ? da_data_r : 1'b1;
81 assign da_clk = (da_data_en)?da_clk_r : 1'b0;
82
83 endmodule
seg_num模塊代碼如下：
0 module seg_num( //數(shù)碼管顯示模塊：選擇數(shù)碼管0-4共5個數(shù)碼管顯示{A1，A0，RNG，DATA}
1 //端口信號：模塊的輸入輸出接口
2 input clk, //系統(tǒng)時鐘50MHz
3 input rst_n, //低電平復位
4 input [19:0] data_in, //20位輸入數(shù)據(jù)
5
6 output reg [7:0] seg, //數(shù)碼管段選
7 output reg [2:0] sel //數(shù)碼管位選
8 );
9
10 //通過查找表的方式，將相應位的數(shù)碼管與數(shù)據(jù)的相應位一一對應
11 reg [3:0] num;
12 always@(*)
13 case(sel)
14 4: num = data_in[3:0]; //第五個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[3：0]
15 3: num = data_in[7:4]; //第四個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[7：4]
16 2: num = data_in[11:8]; //第三個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[11:8]
17 1: num = data_in[15:12]; //第二個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[15:12]
18 0: num = data_in[19:16]; //第一個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的低四位[19:16]
19 default:;
20 endcase
21
22 //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
23 always@(*)
24 case(num)
25 0: seg <= 8'hC0; //8'b1100_0000
26 1: seg <= 8'hF9; //8'b1111_1001
27 2: seg <= 8'hA4; //8'b1010_0100
28 3: seg <= 8'hB0; //8'b1011_0000
29 4: seg <= 8'h99; //8'b1001_1001
30 5: seg <= 8'h92; //8'b1001_0010
31 6: seg <= 8'h82; //8'b1000_0010
32 7: seg <= 8'hF8; //8'b1111_1000
33 8: seg <= 8'h80; //8'b1000_0000
34 9: seg <= 8'h90; //8'b1001_0000
35 default:seg <= 8'hFF; //8'b1111_1111
36 endcase
37
38 //計數(shù)器時鐘分頻：用cnt第10位的變化作為分頻時鐘
39 reg [23:0] cnt;
40 always@(posedge clk or negedge rst_n)
41 if(!rst_n)
42 cnt <= 4'd0;
43 else
44 cnt <= cnt + 1'b1;
45 //在分頻時鐘下，數(shù)碼管的0-5位依次循環(huán)
46 always@(posedge cnt[10] or negedge rst_n) //分頻時鐘為2^10/50M
47 if(!rst_n)
48 sel <= 0;
49 else if(sel < 4)
50 sel <= sel + 1'b1;
51 else
52 sel <= 0;
53
54 endmodule
top頂層模塊代碼如下：
0 module top( //頂層模塊：將各個模塊組合
1 //外部接口
2 input clk, //系統(tǒng)時鐘50MHz
3 input rst_n, //低電平復位
4 input [3:0] key, //四個按鍵組成的按鍵信號，低電平有效
5
6 output da_data,//DA串行接口數(shù)據(jù)
7 output da_clk, //DA串行接口時鐘
8 output da_ldac,//DA更新信號
9 output da_load, //DA串行接口加載控制信號
10 output [7:0] seg, //數(shù)碼管段選
11 output [2:0] sel //數(shù)碼管位選
12 );
13 //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
14 wire [10:0] wr_data;
15 wire [19:0] out_data; //輸入給數(shù)碼管的數(shù)據(jù)
16
17 //模塊例化
18 TLC_DA TLC_DA_inst( //輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量模塊
19 .clk(clk),
20 .rst_n(rst_n),
21 .da_clk(da_clk),
22 .da_data(da_data),
23 .da_ldac(da_ldac),
24 .da_load(da_load),
25 .data_in(wr_data)
26 );
27
28 key_test key_test_inst( //按鍵控制模塊
29 .clk(clk),
30 .rst_n(rst_n),
31 .key(key),
32 .wr_data(wr_data),
33 .out_data(out_data)
34 );
35
36 seg_num seg_num_inst( //數(shù)碼管顯示模塊
37 .clk(clk),
38 .rst_n(rst_n),
39 .data_in(out_data),
40 .seg(seg),
41 .sel(sel)
42 );
43
44 endmodule
test頂層模塊測試代碼：
0 `timescale 1 ns/ 1 ns //設(shè)置仿真時間單位與精度分別為1ns/1ns
1 //若設(shè)為`timescale 1ns/1ps (#200 就是延時200 ns; 1ps就是仿真的精度）
2 module test; //測試模塊：主要是將激勵信號賦相應的值，仿真之后觀察波形，驗證與實際功能是否一樣
3
4 //端口信號定義，激勵信號為reg型
5 reg clk;
6 reg rst_n;
7 reg [3:0] key;
8 wire [7:0] seg;
9 wire [2:0] sel;
10
11 //模塊例化
12 top top(
13 .clk(clk),
14 .rst_n(rst_n),
15 .key(key),
16 .seg(seg),
17 .sel(sel)
18 );
19
20 //初始化激勵，以及給相應激勵賦值
21 initial
22 begin
23 clk = 0;rst_n = 0; key = 4'b1111; //在復位階段，將激勵賦初值
24
25 #200 rst_n = 1; //在延時200ns后將復位信號置為1
26
27 //實現(xiàn)按鍵1開，關(guān)
28 #500000 key = 4'b1110;
29 #500000 key = 4'b1111;
30
31 end
32
33 always #10 clk = ~clk; //時鐘的表示，即每隔10ns翻轉(zhuǎn)一次，一個周期的時間即為20ns，時鐘為1/20ns = 50MHZ
34
35 endmodule
仿真圖:
由于仿真時間原因，這里只測試按鍵1按下時的數(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。之后實際下板驗證，用萬用表也可測出輸入數(shù)字量對應的電壓值。
