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【FPGA开源教程连载】第十七章 线性序列机与串行接口DAC驱动设计

实验目标： 1.学会使用线性序列机的思想

2.以此为基础设计仿真DAC芯片的时序逻辑并通过ISSP验证

实验平台：芯航线FPGA学习套件主板，芯航线串行AD/DA模块

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实验现象：

在QuartusII软件中，使用In system sources andprobes editor工具，输入希望输出的电压值，则芯航线开发板上，FPGA控制TLC5620芯片输出对应的电压值。然后结合第16课讲ROM的内容，将ROM的输出挂接到TLC5620的数据输入端，以输出正弦波，并使用示波器观察输出波形

实验原理：

1.TLC5620型DAC芯片概述

本实验使用的芯航线串行AD/DA模块上的DAC芯片为TLC5620，其芯片概述如下：

•   TLC5620C是一个具有4个独立8位电压输出型DAC的数模转换器
•   单电源5V供电
•   采用串行接口时序
•   具备4个高阻抗参考电压输入端口（对应四个DAC输出通道）
•   可编程的电压倍增模式
  

TLC5620是一个内部具备4个独立8位电压输出型数字——模拟转换器，每个DAC转换器都拥有一个带缓冲（高输入阻抗）的参考电压输入端口。每个DAC可以输出一倍或者两倍的参考电压与GND之间的电压值。

TLC5620使用CMOS电平兼容的三线制串行总线与各种流行的处理器进行连接，TLC5620接收控制器发送过来的11位的命令字，这11位的控制字被分为3个部分，包括8位的数据位，2位的DAC选择位，1位的电压倍增控制位。每个DAC的寄存器都采用双缓冲结构，这样，可以实现首先通过数据总线给所有的DAC传输需要更新的数据，然后通过控制信号LDAC将所有DAC的电压同步更新到输出上。

图17-1TLC5620芯片内部框图

2. DAC芯片引脚说明

       TLC5620芯片引脚及功能描述如表17-1所示。

表17-1芯片引脚功能描述

3.TLC5620型DAC芯片详细介绍

TLC5620是由四个电阻串式DAC组成的，每个DAC的核心是一个拥有256个节点（抽头）的电阻，对应了256中不同的组合，如下表所示，每个电阻串的一段连接到GND，另一端来自参考输入缓存的输出。

每个DAC的输出都接有一个可配置增益的输出放大器，该放大器的增益可以配置为1或者2。当芯片上电时，DAC的值全部被复位到0,。每个DAC通道的输出可由下列公式计算得出：

- W6 g' T  C  A3 G  _9 E: Q

当串行控制字中的数据部分为0~255，RNG bit为0或者1时，与输出电压对应关系如表17-2所示。

表17-2输出电压与控制字对应关系

4.TLC 5620型DAC接口时序

控制器对TLC5620的单个DAC设置包括两个主要操作

• 发送控制和数字
• 控制DAC将接收到的数据值更新到DAC输出上
  

对于数据的传输，有连续传输（11个连续的时钟周期传输11位的控制字）和2个8时钟周期传输方式（使用两次8时钟周期的传输来实现11位数据的传输）。

对于数据的更新，则使用LOAD和LDAC配合以实现。

当LOAD为高电平时，在每个CLK的下降沿，数据被移入DAC的移位寄存器中。当所有的数据位被移入完成后，LOAD被拉低，以将数据从串行输入移位寄存器中转入选中的DAC中，如图17-2所示。当LDAC为低电平时，选中的DAC通道的输出电压在LOAD变为低电平时更新。

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图17-2LOAD模式数据传输时序图

当LDAC在串行数据传输过程中为高电平时，新的数据值被存在器件中，该值可以在稍后将LDAC拉低时传入DAC的输出，如下图17-3所示。串行总线上传输数据时，高位在前，低位在后。

图17-3LOAD与LDAC模式数据传输时序图

使用两个8时钟周期的传输数据（主要针对8位定长的SPI控制器）的时序图如图17-4所示。

图17-4两个8时钟周期传输时序图

在传输时序中，标为A0和A1的两位指定了需要设置输出的DAC，具体A0和A1值与对应被选择更新的DAC如下表所示：

/ Z. w1 B+ z0 Z; ?

表17-3A0A1与DAC端口对应关系

4.TLC5620串行数字接口的关键时序参数

针对TLC5620的数字接口，其操作时序如表17-4所示。

3 q+ v& A$ u6 y7 n5 T( o: Q; O% z3 g

表17-4TLC5620时序参数

在设计接口时序时，要保证时序严格满足表中各个时序参数，否则会导致数据传输或转换失败。

5.芯航线ADDA模块TLC5620电路介绍

芯航线FPGA学习套件中，提供了一个多通道串行AD/DA模块。其中，DA部分所使用的芯片就是上文介绍的TLC5620，TLC5620部分电路图如图17-5所示：

图17-5TLC5620部分电路图

为了给DAC的参考输入提供稳定的参考电压，这里使用专用精密参考源搭建了一个参考源电路，该电路如图17-6所示.

图17-6精密参考源电路

根据5V的输入电压和输出电压/电流设计电路，按照上图设置电路即可，其中R2：R3=1：2.7得到的输出最接近3.3V（例如R1取值为1k，R2取值为2.7k）

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Vout = (R2+R3)*2.5/R3 = 3.7*2.5/2.7= 3.42V

为了保证TL4311mA的工作电流，R1需要满足

1mA< (Vcc-Vout)/R1< 500mA

这里设置R1为150欧姆，则(Vcc-Vout)/R1= 10.5mA，满足TL431工作要求。

因此，当确定一个输出电压时，就可以得到对应的RNG和CODE了，如下式所示：

0 P8 K. M$ C3 k

然后，在我们控制DAC的输出时，只需根据所需输出的电压计算得到CODE和RNG，然后将该值通过串行接口传入TLC5620，再发出一个更新控制信号（LOAD + LDAC），就能实现控制TLC5620输出想要的电压了。

6.线性序列机设计思想与TLC5620接口时序设计

       这里以使用LOAD信号控制DAC更新的时序图(图17-2)来分析TLC5620的数字接口时序。

图17-2LOAD模式数据传输时序图

从图中我们可以看到，该接口的时序是一个很有规律的序列，CLK信号什么时候该由低变高，什么时候由高变低。DATA信号什么时候该传输哪一位数据，LOAD信号什么时候拉低，什么时候拉高，都是可以根据时序参数唯一确定下来的。

因此我们可以将该数据波形放到以时间为横轴的一个二维坐标系中，纵轴就是每个信号对应的状态：

图17-7时序图数字化

因此我们只需要在逻辑中使用一个计数器来计数，然后每个计数值时就相当于在t轴上对应了一个相应的时间点，那么在这个时间点上，各个信号需要进行什么操作，直接赋值即可。

针对TLC5620的接口时序，在FPGA中，我们以时钟周期为20ns进行设计，既时间最小增量为20ns，由于所有时序参数中最小单位为50ns，而20ns的时钟周期无法通过计数得到50ns，因此这里都使用60ns来代替50ns，使用260ns来代替250ns。从而可以通过每个信号变化时的时间得到对应计数器的值，这里CLK周期最小为1000ns，这里定为1200ns。

这样根据图17-3即可得出每个时间点对应信号操作详表。

7 R# e1 \$ z" J

表17-5时间点对应信号操作表

线性序列机计数器的控制逻辑判断依据，如表17-6所示。

表17-6计数器功能判断条件

以上就是通过线性序列机设计接口时序的一个典型案例，可以看到，线性序列机可以大大简化我们的设计思路。线性序列机的设计思想就是使用一个计数器不断计数，由于每个计数值都会对应一个时间，那么当该时间符合我们需要操作信号的时刻时，就对该信号进行操作。这样，就能够轻松的设计出各种时序接口了。

6.AD/DA模块与FPGA开发板连接

  P9 o4 }5 c7 T4 T  \* @3 ~

' D' N: R5 D7 W1 \7 w# y
  D9 Y2 F0 G9 q" w% ^- Y

实验步骤

得到了表17-5与17-6，我们就可以进行TLC5620的接口逻辑的编写了。设计TLC5620接口逻辑的模块如图17-8所示：

图17-8模块接口示意图

其中，每个端口的功能描述如表17-7所示。

2 ^' ~. b! J3 j: ]6 L

表17-7端口功能描述

  新建一个以名为TLC5620_CTRL的工程保存在prj下，并新建TLC5620_CTRL.v保存至rtl文件夹下。从图17-8以及表17-7就得到了端口列表：

) X( R4 q; A1 H4 M0 i

      从实验原理分析得出线性序列机最主要的即为计数器，并且此设计计数器最大值为820，因此定义一个位宽为10的计数器即可，且由表17-6可以得出：

      

这样只需根据表17-5分别描述出每个计数值需要操作的端口即可。在复位时需要将所有被操作信号置0，否则会出现不定态。

8 l7 F- A  A3 f8 Q

       将此文件设置为顶层，新建TLC5620_CTRL_tb.v文件并输入以下内容再次进行分析和综合直至没有错误以及警告，保存到testbench文件夹下。这里除了实现例化需要仿真的文件以及时钟创建，还实现了控制输入8’haa至通道A，等待传输结束后再次才输入8’h55至通道A，等待这次传输结束后等待20个时钟周期停止仿真。

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编译无误后设置好仿真脚本后进行功能仿真，可以看到如图17-9所示的波形文件。生成的TLC5620_CLK周期为1200ns，在使能第一次控制字输入{2'd0,1'b0,8'haa}，TLC5620_DATA上数据为00_0_10101010，符合预期。在一个控制字传输结束后，TLC5620_LOAD维持2600ns的低电平然后经过400ns后Updatadone输出一个系统时钟周期的高电平，符合预期设计。这样可自行分析第二次数据传输过程。

5 A) s# X$ e5 O& J% |5 b

图17-9TLC5620功能仿真波形

为了使用ISSP在线调试再次验证TLC5620模块设计的正确性，创建一个ISSPIP核，主要配置如图17-10所示，详细步骤可参考第十讲相关内容。

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图17-10ISSP主要参数

        加入工程后新建顶层文件TCL5620_TOP.v，并对ISSP以及设计好的TLC5620_CTRL进行例化。这里为了方便操作，将UpdateReq一直置高。

" o- o  W. y/ h# {) x" X: l7 F
% U; @/ _" u  B' [- _; ~

         分配引脚后全编译无误后下载工程到开发板中，并启动ISSP。可先把数据格式切换为hex，先分别输入080、0ff查看DACA通道电压是否正常。其他通道及控制字可自行测试。

       补图：

电压表

       这样就完成了一个DAC模块的设计与仿真验证，基于本讲以及14讲即可实现信号发生器，详细内容可以参考芯航线FPGA进阶课程值DDS4。

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小梅哥

芯航线电子工作室

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看着真过瘾啊