引 言
數(shù)／模轉換(D／A)電路，是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路之一，其主要作用是把數(shù)字信號轉換成模擬信號，通常是利用專用的數(shù)／模轉換(D／A)芯片來實現(xiàn)的。AD7543是Analog Device公司生產(chǎn)的的12位數(shù)／模轉換(D／A)芯片，它采用串行數(shù)據(jù)輸入形式，即數(shù)字信號被一位一位地寫入AD7543數(shù)／模轉換(D／A)芯片中，因此，AD7543要與一個控制器配合使用才能發(fā)揮作用。常規(guī)的方法，是以CPU作為控制部件，通過軟件編程的方式來控制AD7543，從而實現(xiàn)數(shù)／模轉換功能的。軟件實現(xiàn)法雖然簡單，但必將會占用大量的CPU時間，削弱了CPU實時處理能力，降低了系統(tǒng)的可靠性。針對以上情況，在此設計了基于可編程邏輯器件(FPGA)數(shù)／模轉換電路，利用可編程邏輯器件(FP-GA)直接控制模轉換(D／A)芯片AD7543進行數(shù)／模(D／A)轉換，取代傳統(tǒng)的“CPU+專用的數(shù)／模轉換(D／A)芯片”設計結構，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。
1 AD7543簡介
1．1 AD7543主要特性
AD7543主要特性為：
- 分辨率：12位；
- 非線性誤差：±1／2 LSB；
- 輸入方式：串行正或負選通；
- 初始化：異步輸入清零方式；
- 工作電壓：+5 V；
- 最大功耗：40 mW。
1．2 封裝形式和引腳功能
AD7543有三種封裝形式：16引腳的DIP和20引腳的PCCC與PLCC，其封裝形式如圖1所示，設計者可根據(jù)實現(xiàn)需求進行選擇，其引腳功能說明如下：
- OUT1：數(shù)／模轉換(D／A)器電流輸出端，通常接到放大器正輸入端；
- OUT2：數(shù)／模轉換(D／A)器電流輸出端，通常接到模擬地；
- AGND：模擬地端，接到模擬地；
- STB1：寄存器A選通1信號輸入端；
- LD1：寄存器B裝人選通1輸入端，LD1和LD2都為低電平時，寄存器A的內(nèi)容被裝入到寄存器B中；
- N／C：懸空；
- SRI：串行數(shù)據(jù)輸入端，與寄存器A低位相連；
- STB2：寄存器A選通2信號輸入端；
- LD2：寄存器B裝入選通2輸入端，LD1和LD2都為低電平時，寄存器A的內(nèi)容被裝入到寄存器B中；
- STB3：寄存器A選通3信號輸入端；
- STB4：寄存器A選通4信號輸入端；
- DGND：數(shù)字地端；
- CLR：異步清寄存器B輸入端，當為低電平時，清寄存器B內(nèi)容，寄存器A內(nèi)容不變；
- VDD：5 V供電輸入端；
- VREF：參考電壓輸入端；
- RBF：反饋輸入端。
1．3 數(shù)／模轉換芯片AD7543器件工作原理
在AD7543器件內(nèi)部，有兩個寄存器：寄存器A和寄存器B。寄存器A是12位串行輸入并行輸出的移位寄存器，其低位與SRI引腳相連。在STB1，STB2和STB4上升沿或STB3下沿作用下，移位寄存器A發(fā)生移位，SRI引腳上的串行數(shù)據(jù)被裝進寄存器A中，當要寫入數(shù)據(jù)全部被裝進寄存器A時，再給AD7543一個裝載負脈沖(LD1和LD2均為低電平)，把移位寄存器A的內(nèi)容裝到寄存器B中，通過后續(xù)電路完成D／A轉換。當CLR為低電平時，寄存器B的數(shù)據(jù)被清零，輸出的電壓為零，簡化初始化過程。圖2為AD7543數(shù)／模轉換(D／A)的工作時序圖。
2 基于AD7543的數(shù)／模轉換器電路設計
圖3為基于AD7543數(shù)／模轉換芯片的數(shù)／模轉換器電路，由于AD7543的內(nèi)部無運算大器，輸出為電流形式，在應用中，必須外接一個運放器，因此，AD7543的第1和2腳分別接在LM324運放的反向輸入口與同相輸入口，AD7543的第15腳(參考電壓輸入端)接在-10 V的電源上，當寄存器B的位數(shù)全為高電平時，輸出電平接近10 V。AD7543的輸入時序信號CLR，STB2，LD和SRI由外接的可編程邏輯器件(FPGA)產(chǎn)生。AD7543的第8腳和11腳接地。運放器LM324正負電源引腳分別接在正負12 V的電源上。
3 AD7543工作時序FPGA實現(xiàn)
AD7543是串行輸入數(shù)／模轉換芯片，被轉換數(shù)據(jù)是逐位寫進AD7543中，因此，AD7543工作時，要有正確的工作時序，工作時序在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境中利用硬件描述語言Verilog HDL描述。QuartusⅡ是Altera公司的EDA開發(fā)工具，它是集設計輸入、編譯、邏輯綜合、器件引腳管理、功能仿真、定時分析、編程下載等于一體的可編程邏輯器件設計環(huán)境。
在設計中，為了降低設計成本，F(xiàn)PGA采用Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片。。EP1C6Q240C8芯片，不僅集成了5 980個邏輯單元 (LEs)，還集成了20個4 KB雙口存儲單元(M4KRAM BLock)和92 160 b的普通高速RAM等資源。
打開Quartus II軟件，新建一個工程管理文件。在工程管理文件中，新建一個Verilog HDL源程序文件，用硬件描述語言Verilog HDL編寫程序，實現(xiàn)控制功能，其代碼如下：
4 FPGA時序模塊仿真
為了進一步的驗證FPGA控制器模塊的正確性，在下載到目標器件之前，可以對此模塊進行時序仿真。在工程文件中，首先要新建一個以vwf結尾的波形文件。在彈出的對話框中添加要觀察的引腳，然后再設定時鐘相關參數(shù)和保存波形文件，最后在編譯頂層文件之后，可對此模塊進行仿真。如圖4為FPGA控制器模塊仿真波形，CLOCK為此模塊的工作時鐘，時間周期設為40 ns；ida為并行輸入數(shù)據(jù)，STI為串行輸出，STB1為選通脈沖信號。由圖可知，STB1的上升沿把STI引腳上的數(shù)據(jù)裝入寄存器A中，裝滿寄存器A后，LOD設為低電平，把寄存器A的內(nèi)容裝入寄存器B中。仿真時序與圖1的時序一致，滿足設計要求。
5 結 語
針對采用軟件控制AD7543數(shù)／模轉換芯片所具有的缺點的基礎上，采用硬件(FPGA)直接對AD7543轉換芯片進行控制的方式來設計數(shù)／模轉換電路，給出具體的硬件實現(xiàn)電路和控制器的Verilog HDL實現(xiàn)代碼。因為FPGA控制器是一個獨立單元，它幾乎不需要CPU的干預就能工作，在電路中分擔了CPU的工作量，這不僅提高CPU實時處理信號能力，還會提高系統(tǒng)的可靠性，具有一定的實用價值與參考價值。在此設計了基于FPGA與AD7543轉換芯片的數(shù)／模轉換電路，AD7543的工作時序全部用FPGA器件產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的可靠性。