基于Verilog的數模轉換器的設計

1、南 陽 理 工 學 院本科生畢業(yè)設計（論文）學院（系）： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 學 生： 王 曉 寧 指導教師： 曹 原 完成日期 2014 年 5 月南陽理工學院本科生畢業(yè)設計（論文）8位高速數模轉換器設計 英文題目 (8 bit high speed DAC)總計： 畢業(yè)設計（論文） 頁表 格： 個插 圖 ： 幅基于Verilog的數模轉換器的設計 摘 要數模轉換器是模擬與數字電路系統的轉換橋梁，通常是利用專用的數模轉換(DA)芯片來實現的。本文設計的是一種8位高速數模轉換器，設計方案確定了輸入方式為并行輸入，輸出為電流互補輸出，以實現高速的要求，然后在分析了轉換電路

2、的性能參數以后，采用主從一分段式的電流舵結構來實現高速數模轉換，電流源應用電流分裂技術，其中開關采用全差分電流開關。利用“自頂向下”的設計方法，采用Verilog AMS硬件描述語言和原理圖描述相結合的方式，設計了8位高速數模轉換器，并在Quartus 11軟件環(huán)境下對設計項目進行了編譯和時序仿真。關鍵詞數模轉換電路；Verilog硬件描述語言；并行串出； 模擬仿真； Design of the DAC based on VerilogAbstract: Digital to analog converter (DAC) is a bridge between the digital worl

3、d and the analog world , usually uses a dedicated D / A converter (D / A) chip to achieve of. This article was designed to be a 8-bit high speed DAC design to determine the input for the parallel input and output for the current complementary output, in order to achieve high-speed requirements, and

4、then analyzes the circuits performance parameters after conversion, with master-slave a sub-type structure to achieve high-speed current-steering digital-analog conversion, Current source application current splitting technique, which uses a fully differential current switch switches. One designs a

5、simple digital frequency meter system by taking advantage of the “top-down” design approach，and using the combination of Verilog- AMS hardware description language and schematic descriptionThen，one compiles and simulates the proposed project under the software environment in QuartusII.Key words：Digi

6、tal-analog converter circuit; Verilog hardware description language; parallel string out ；simulation。目錄1 引言數模轉換(DA)電路，是數字系統中常用的電路之一，它是把數字量轉變成模擬量的儀器，其主要作用是把數字信號轉換成模擬信號，通常是利用專用的數模轉換(DA)芯片來實現的。DAC0832是Analog Device公司生產的的8位數模轉換(DA)芯片，它是雙列直插式8位D/A轉換器。能完成數字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉換。即數字信號被一位一位地寫入DAC0832數模轉換(DA)芯片中，

7、因此，DAC0832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DAC0832，從而實現數模轉換功能的。軟件實現法雖然簡單，但必將會占用大量的CPU時間，削弱了CPU實時處理能力，降低了系統的可靠性。針對以上情況，在此設計了基于可編程邏輯器件(F PGA)數模轉換電路，利用可編程邏輯器件(FP-GA)直接控制數模轉換(DA)芯片DAC0832進行數模(DA)轉換，取代傳統的“CPU專用的數模轉換(DA)芯片”設計結構，有利于提高系統的抗干擾能力和可靠性。1.1 本課題研究的意義 對于數模轉換器的設計，大部分是采用C語言以及單片機編程來實現的。

8、隨著數字電路技術和計算機技術的發(fā)展，EDA技術取代了傳統的電子設計方法而成為數字電路設計的主要技術。突出表現了EDA技術的功能。而且通過本課題的研究，能夠掌握數模轉換器的實現方法，熟悉轉換器的工作過程，掌握數模轉換器在實際生活中的應用方法，這樣也有利于了解轉換器的實現過程，掌握設計轉換器的算法，提高能力。同時也掌握EDA技術。1.2 國內外研究現狀隨著數字技術，特別是計算機技術的飛速發(fā)展和普及，在現代控制、通信及檢測等領域，為了提高系統的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數字計算機技術。由于系統的實際對象一般是模擬量（如溫度、壓力、圖像等），要使計算機或者數字儀表能識別、處理這些信號，必須先把這

9、些虛擬信號轉換為數字信號。在數字模擬混合電路系統中，數模轉換器是不可缺少的關鍵電子元器件。當前，為了適應計算機、通訊和多媒體技術的飛速發(fā)展以及高新技術領域數字化進程的不斷加快，數模轉換器在工藝、結構和性能上都有了很大的變化，正朝著低功耗、高速度和高分辨率的方向發(fā)展。進入20世紀90年代后，結合基于數模轉化器的設計，可編程邏輯集成電路技術也進入飛速發(fā)展時期。器件的可編程門數超過了百萬門，并出現了內嵌復雜功能模塊的SoPC。這種大規(guī)模可編程邏輯芯片的出現為單片機芯片重構開辟了新的途徑。本課題就是要以FPGACPLD器件作為載體，以現代EDA技術為手段，應用EDA技術實現一種固定信號格式的串并轉換，

10、利用Verilog-AMS語言對一塊可編程邏輯器件進行編程實現單片機串行口輸出的串行數據到8位并行數據的轉換。目前，國內ADC的結構主要集中在全并行，積分型，逐次比較型等較低精度高速或低速高精度的結構上，近些年來，隨著設計的環(huán)境，工藝條件的迅速改善，國內有數家集成電路設計公司在開發(fā)模數轉換器電路產品，包括許多高等教育單位（如復旦大學專用集成電路與系統國家重點實驗室、東南大學、西安交通大學等）都在開展一些先進技術。國外生產數模轉換器的最著名的廠家主要有（TI德州儀器、NS國家半導體等），研究實力比較強，擁有先進的數模轉換系列芯片，占據高端芯片的大部分市場。1.3 本課題研究的主要內容對數模轉換器

11、的理解和設計，首先將單片機分成幾個大的模塊，再向下劃分成功能單一的模塊。然后運用硬件描述語Verilog語言對各個模塊進行邏輯描述，同時應用EDA集成開發(fā)工具Quartus II軟件提供的時模擬器對各個模塊(包括各子模塊和頂層模塊)的功能進行軟件仿真。完成軟件真后下載到FPGACPLD器件中進行硬件級的測試。課題采用Gw48-CK型EDA實箱對所設計的軟核模塊進行硬件級的測試。箱內的可編程邏輯器件是Alter司的FLEX 10K(屬于FPGA類型)系列器件中的EPFl0K10LC84-4由EPFlOKlOL84 4器件的邏輯門有限，以單獨完成了串行口等模塊的硬件級測試。2 數模轉換電路的概述2

12、.1 數模轉換器的基本原理與組成（1）D/A轉換器的基本工作原理數模轉換器是一種將二進制數字量形式的離散信號轉換成以標準量（或參考量）為基準的模擬量的轉換器數/模轉換就是將數字量轉換成與它成正比的模擬量。數字量為：(D3D2D1D0)2(D323D222D121D020)10(1101) 2(123122021120)10模擬量為：uoK(D323D222D121D020)10uoK(123122021120)10 (K為比例系數)（2）電路組成數模轉換電路基本上是由解碼網絡、模擬開關、求和放大器和基準電源組成。如圖1所示。2.2 D/A轉換器的結構根據加權網絡等部分實現方法不同，常見的DA轉

13、換器結構可以分為電流型、電壓型和電荷型等。電流定標型D/A轉換器分三種：權電阻型D/A轉換器、R-2R梯形電阻網絡DA轉換器、電流舵型DA轉換器。本設計采用電流舵型DA轉換器。高速數模轉換器一般采用電流舵結構。電流舵型結構的DA轉換器易于滿足高速度、高精度的要求；同時在DA轉換器的設計中，二進制解碼電路簡單，占用芯片面積小，有利于提高工作速度，但其匹配性差，有毛刺現象，易引入較大的DNL誤差，在高位時尤其嚴重，而溫度計解碼電路結構具有良好的匹配性能，毛刺小，但其結構復雜，面積和功耗相應較大。因此為了優(yōu)化面積，提高性能，權衡兩者，高速DA轉換器設計般采用電流舵結構，高位使用溫度計譯碼，低位使用二

14、進制譯碼。本設計采用電流舵型DA轉換器。電流舵型DA轉換器，又稱電流源型DA轉換器，是用有源器件(一般是MOS管)構成的電流源來提供加權電流。與電阻型加權DA轉換器相比，電流舵型DA轉換器速度非?？?，對開關的寄生參數不敏感。一般分段電流舵DA轉換器的整個電路由鎖存器、二進制碼溫度計碼解碼電路、電流源陣列(包括二進制加權電流源和溫度計加權電流源兩部分)、基準電壓源，放大器等單元模塊組成。根據告訴電流舵數模轉換器的組成，得到如圖2-1的系統框圖電流源根據權系數不同，可分為二進制加權型和一進制加權型(溫度計型)。二進制電流舵型DA轉換器的電路原理框圖如圖2所示。二進制型電流舵DA轉換器的工作原理與電

15、阻加權型基本類似，只是用加權的電流源來代替加權的電阻來提供權電流。電流源提供加權電流可以通過兩種方式來實現。一種是改變電流源MOS的寬長比，如最低位寬長比為WL，高一位寬長比為2WL，依次電流源MOS管的寬長比按指數2向上增長；二是改變相同尺寸MOS管的個數，最低位用1個，高一位用2個，向上個數按指數2增長。后者的匹配性方面效果比前者好。圖2 二進制電流型D/A轉換器一進制加權型DA轉換器的電路原理框圖：一進制電流舵加權型(溫度計型)DA轉換器（如圖3所示）先將二進制編碼的數字輸入轉變?yōu)橐贿M制碼(溫度計碼)，然后用一進制編碼分別控制一個電流源流向負載或地。表1是2位二進制編碼與一進制轉換的真值

16、表。圖3 溫度計碼電流型D/A轉換器表1 二進制碼-溫度計碼的真值表二進制編碼對應溫度計碼00000010011001111111與11位二進制編碼相對應的一進制編碼有2n一1位，當二進制編碼換算成十進制數為D時，一進制編碼的低D位全部為1，其他全部為0。也就是隨著二進制編碼逐漸增大，相應的一進制編碼的各位(從低位向高位)依次由0變?yōu)?。3 系統硬件的設計3.1 總體結構設計通過上述介紹的D/A轉換器的一些常見結構，我們深刻了解了他們各自的優(yōu)點和不足之處。對本設計的著眼點一8位和高速，我們需要選擇合適的結構來實現這一目標。首先，輸入方式從兩種輸入方式中選擇并行輸入，因為相對于串行輸入方式來說，

17、并行數字輸入結構最大的優(yōu)點是速度更快，雖然并行數字輸入結構有電路復雜程度隨著分辨率的提高而增加的缺點，但是由于設計要求分辨率為8位，相對不高，而速度是要實現的主要參數要求，因此權衡兩方面，選擇并行數字輸入結構。其次，輸出采用電流輸出作為所設計的D/A轉換器的輸出方式，由于電流輸出和電壓輸出相比，具有速度快的特點，若想把輸出電流轉變?yōu)殡妷海瑒t再加一級電流變電壓的電路即可。如前所述，D/A轉換器根據工作原理可分為電流定標、電壓定標和電荷定標三種。電壓定標D/A轉換器的一個嚴重的缺點是位數較多的D/A轉換器所需要的組件太多;電荷定標D/A轉換器的缺點是當轉換器位數較多時，需要的電容比會很大，并且大量的大電容會增大電路的面積。電