基于Verilog的数模转换器的设计 (2)

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学院（系）：电子与电气工程学院专业：电子信息工程学生：王晓宁指导教师：曹原完成日期2014年5月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）8位高速数模转换器设计英文题目(8bithighspeedDAC)总计：毕业设计（论文）页表格：个插图：幅基于Verilog的数模转换器的设计[摘要]数模转换器是模拟与数字电路系统的转换桥梁，通常是利用专用的数／模转换(D／A)芯片来实现的。本文设计的是一种8位高速数模转换器，设计方案确定了输入方式为并行输入，输出为电流互补输出，以实现高速的要求，然后在分析了转换电路的性能参数以后，采用主从一分段式的电流舵结构来实现高速数模转换，电流源应用电流分裂技术，其中开关采用全差分电流开关。利用“自顶向下”的设计方法，采用VerilogAMS硬件描述语言和原理图描述相结合的方式，设计了8位高速数模转换器，并在Quartus11软件环境下对设计项目进行了编译和时序仿真。［关键词］数模转换电路；Verilog硬件描述语言；并行串出；模拟仿真；DesignoftheDACbasedonVerilogAbstract:Digitaltoanalogconverter(DAC)isabridgebetweenthedigitalworldandtheanalogworld,usuallyusesadedicatedD/Aconverter(D/A)chiptoachieveof.Thisarticlewasdesignedtobea8-bithighspeedDACdesigntodeterminetheinputfortheparallelinputandoutputforthecurrentcomplementaryoutput,inordertoachievehigh-speedrequirements,andthenanalyzesthecircuit'sperformanceparametersafterconversion,withmaster-slaveasub-typestructuretoachievehigh-speedcurrent-steeringdigital-analogconversion,Currentsourceapplicationcurrentsplittingtechnique,whichusesafullydifferentialcurrentswitchswitches.Onedesignsasimpledigitalfrequencymetersystembytakingadvantageofthe“top-down”designapproach，andusingthecombinationofVerilog-AMShardwaredescriptionlanguageandschematicdescription．Then，onecompilesandsimulatestheproposedprojectunderthesoftwareenvironmentinQuartusII．.Keywords：Digital-analogconvertercircuit;Veriloghardwaredescriptionlanguage;parallelstringout；simulation。目录1引言数模转换(D／A)电路，是数字系统中常用的电路之一，它是把数字量转变成模拟量的仪器，其主要作用是把数字信号转换成模拟信号，通常是利用专用的数模转换(D／A)芯片来实现的。DAC0832是AnalogDevice公司生产的的8位数模转换(D／A)芯片，它是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。即数字信号被一位一位地写入DAC0832数模转换(D／A)芯片中，因此，DAC0832要与一个控制器配合使用才能发挥作用。常规的方法，是以CPU作为控制部件，通过软件编程的方式来控制DAC0832，从而实现数模转换功能的。软件实现法虽然简单，但必将会占用大量的CPU时间，削弱了CPU实时处理能力，降低了系统的可靠性。针对以上情况，在此设计了基于可编程逻辑器件(FPGA)数模转换电路，利用可编程逻辑器件(FP-GA)直接控制数模转换(D／A)芯片DAC0832进行数模(D／A)转换，取代传统的“CPU专用的数模转换(D／A)芯片”设计结构，有利于提高系统的抗干扰能力和可靠性。1.1本课题研究的意义对于数模转换器的设计，大部分是采用C语言以及单片机编程来实现的。随着数字电路技术和计算机技术的发展，EDA技术取代了传统的电子设计方法而成为数字电路设计的主要技术。突出表现了EDA技术的功能。而且通过本课题的研究，能够掌握数模转换器的实现方法，熟悉转换器的工作过程，掌握数模转换器在实际生活中的应用方法，这样也有利于了解转换器的实现过程，掌握设计转换器的算法，提高能力。同时也掌握EDA技术。1.2国内外研究现状随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展和普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象一般是模拟量（如温度、压力、图像等），要使计算机或者数字仪表能识别、处理这些信号，必须先把这些虚拟信号转换为数字信号。在数字模拟混合电路系统中，数模转换器是不可缺少的关键电子元器件。当前，为了适应计算机、通讯和多媒体技术的飞速发展以及高新技术领域数字化进程的不断加快，数模转换器在工艺、结构和性能上都有了很大的变化，正朝着低功耗、高速度和高分辨率的方向发展。进入20世纪90年代后，结合基于数模转化器的设计，可编程逻辑集成电路技术也进入飞速发展时期。器件的可编程门数超过了百万门，并出现了内嵌复杂功能模块的SoPC。这种大规模可编程逻辑芯片的出现为单片机芯片重构开辟了新的途径。本课题就是要以FPGA／CPLD器件作为载体，以现代EDA技术为手段，应用EDA技术实现一种固定信号格式的串并转换，利用Verilog-AMS语言对一块可编程逻辑器件进行编程．实现单片机串行口输出的串行数据到8位并行数据的转换。目前，国内ADC的结构主要集中在全并行，积分型，逐次比较型等较低精度高速或低速高精度的结构上，近些年来，随着设计的环境，工艺条件的迅速改善，国内有数家集成电路设计公司在开发模数转换器电路产品，包括许多高等教育单位（如复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室、东南大学、西安交通大学等）都在开展一些先进技术。国外生产数模转换器的最著名的厂家主要有（TI德州仪器、NS国家半导体等），研究实力比较强，拥有先进的数模转换系列芯片，占据高端芯片的大部分市场。1.3本课题研究的主要内容对数模转换器的理解和设计，首先将单片机分成几个大的模块，再向下划分成功能单一的模块。然后运用硬件描述语Verilog语言对各个模块进行逻辑描述，同时应用EDA集成开发工具QuartusII软件提供的时模拟器对各个模块(包括各子模块和顶层模块)的功能进行软件仿真。完成软件真后下载到FPGA／CPLD器件中进行硬件级的测试。课题采用Gw48-CK型EDA实箱对所设计的软核模块进行硬件级的测试。箱内的可编程逻辑器件是Alter司的FLEX10K(属于FPGA类型)系列器件中的EPFl0K10LC84-4由EPFlOKlOL84—4器件的逻辑门有限，以单独完成了串行口等模块的硬件级测试。2数模转换电路的概述2.1数模转换器的基本原理与组成（1）D/A转换器的基本工作原理数模转换器是一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量（或参考量）为基准的模拟量的转换器，数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。对于线性模数转换器：Vo=VRD(2-1)其中，D是数字输入，VR是模拟参考输入，Vo是模拟输出。这里的模拟输出可以是电压，也可以是电流。若用二进制表示时，D=a12-1+a22-2+……+an2-n=(2—2)式中an为l或0，由数字所对应的位的逻辑电平来决定：N是数字输入D的位数。由此，(2．1)式又可以写为Vo=VR(2—3)l以上表明，输出模拟量与输入数字量成正比。输出模拟量是由一系N-进制分量叠加而成的。对于单位数字量的变化，模拟输出是按等幅度的阶跃的量变化的。（2）电路组成数模转换电路基本上是由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。如图1所示。加法电路解码网络模拟开关电路运算放大器模拟输出基准电源2.2D/A转换器的结构根据加权网络等部分实现方法不同，常见的D／A转换器结构可以分为电流型、电压型和电荷型等。电流定标型D/A转换器分三种：权电阻型D/A转换器、R-2R梯形电阻网络D／A转换器、电流舵型D／A转换器。其中最符合告诉特点的就是本设计采用的电流舵型D／A转换器。电流舵型结构的D／A转换器易于满足高速度、高精度的要求；同时在D／A转换器的设计中，二进制解码电路简单，占用芯片面积小，有利于提高工作速度，但其匹配性差，有毛刺现象，易引入较大的DNL误差，在高位时尤其严重，而温度计解码电路结构具有良好的匹配性能，毛刺小，但其结构复杂，面积和功耗相应较大。因此为了优化面积，提高性能，权衡两者，高速D／A转换器设计～般采用电流舵结构，高位使用温度计译码，低位使用二进制译码。本设计采用电流舵型D／A转换器。电流舵型D／A转换器，又称电流源型D／A转换器，是用有源器件(一般是MOS管)构成的电流源来提供加权电流。与电阻型加权D／A转换器相比，电流舵型D／A转换器速度非常快，对开关的寄生参数不敏感。一般分段电流舵D／A转换器的整个电路由锁存器、二进制码．温度计码解码电路、电流源阵列(包括二进制加权电流源和温度计加权电流源两部分)、基准电压源，放大器等单元模块组成。根据告诉电流舵数模转换器的组成，得到如图2-1的系统框图电流源根据权系数不同，可分为二进制加权型和一进制加权型(温度计型)。二进制电流舵型D／A转换器的电路原理框图如图2所示。二进制型电流舵D／A转换器的工作原理与电阻加权型基本类似，只是用加权的电流源来代替加权的电阻来提供权电流。电流源提供加权电流可以通过两种方式来实现。一种是改变电流源MOS的宽长比，如最低位宽长比为W／L，高一位宽长比为2W／L，依次电流源MOS管的宽长比按指数2向上增长；二是改变相同尺寸MOS管的个数，最低位用1个，高一位用2个，向上个数按指数2增长。后者的匹配性方面效果比前者好。_+RfD1D2DnIIII0U0UR图2二进制电流型D/A转换器一进制加权型D／A转换器的电路原理框图：一进制电流舵加权型(温度计型)D／A转换器（如图3所示）先将二进制编码的数字输入转变为一进制码(温度计码)，然后用一进制编码分别控制一个电流源流向负载或地。表1是2位二进制编码与一进制转换的真值表。_+RfD1D2DnIIII0U0UR译码器图3温度计码电流型D/A转换器表1二进制码-温度计码的真值表二进制编码对应温度计码00000010011001111111与11位二进制编码相对应的一进制编码有2n一1位，当二进制编码换算成十进制数为D时，一进制编码的低D位全部为1，其他全部为0。也就是随着二进制编码逐渐增大，相应的一进制编码的各位(从低位向高位)依次由0变为1。3系统硬件的设计3.1总体的结构设计通过上述介绍的D/A转换器的结构，我们深刻了解了他的优点和不足之处。对本设计的着眼在8位高速数模转换器，我们需要选择合适的结构来实现这一目标。首先，输入方式从两种输入方式中选择并行输入，因为相对于串行输入方式来说，并行数字输入结构最大的优点就是速度更快，虽然并行数字输入结构有电路复杂程度随着分辨率的提高而增加的缺点，但是由于设计要求分辨率为8位，相对不高，而速度是要实现的主要参数要求，因此权衡两方面，选择并行数字输入结构。其次，输出采用电流输出作为所设计的D/A转换器的输出方式，由于电流输出和电压输出相比，具有速度快的特点，若想把输出电流转变为电压，则再加一级电流变电压的电路即可。如前所