Intel FPGA (6)：dac tlv5618a

前提摘要

个人说明：
- 限于时间紧迫以及作者水平有限，本文错误、疏漏之处恐不在少数，恳请读者批评指正。意见请留言或者发送邮件至：“Email:noahpanzzz@gmail.com”。
- 本博客的工程文件均存放在：GitHub:https://github.com/panziping。
- 本博客的地址：CSDN:https://blog.csdn.net/ZipingPan。
参考：
- 芯片型号：Intel EP4CE10F17C8(Cyclone IV E)
- 《数字电子技术基础》-阎石
- 《FPGA自学笔记—设计与验证》袁玉卓，曾凯锋，梅雪松
- 《Verilog 数字系统设计教程》夏宇闻
- 《Verilog HDL 高级数字设计》Michael D.Ciletti
- 《Intel FPGA/CPLD设计》（基础篇）王欣王江宏等
- 《Intel FPGA/CPLD设计》（高级篇）王江宏蔡海宁等
- 《综合与时序分析的设计约束 Synopsys设计约束（SDC）实用指南》Sridhar Gangadharan
日期：
- 2024-01-01

正文

数字模拟转换器（英语：Digital to analog converter，英文缩写：DAC）是一种将数字信号转换为模拟信号（以电流、电压或电荷的设备。

电流型DAC和电压型DAC是两种常见的数字模拟转换器类型，它们在设计和应用方面有所不同。以下是比较电流型DAC和电压型DAC的一些因素：

输出形式：电流型DAC以电流形式输出模拟信号，而电压型DAC以电压形式输出模拟信号。这意味着电流型DAC的输出是通过传递电流来实现的，而电压型DAC的输出是通过产生电压来实现的。
负载匹配：电流型DAC通常具有较低的输出阻抗，这使得它们对负载变化更具有稳定性。相比之下，电压型DAC的输出阻抗较高，需要进行额外的负载匹配以确保输出电压的稳定性。
功耗：电流型DAC通常具有较低的功耗，因为它们不需要经过额外的缓冲放大器来驱动负载。电压型DAC则可能需要额外的缓冲放大器来提供足够的电流驱动能力，从而增加功耗。
动态范围：在一些应用中，电流型DAC具有更广泛的动态范围，可以提供更高的分辨率和更精确的模拟输出。电压型DAC的动态范围可能受限于电源供应和输出缓冲电路的限制。

综上所述，选择电流型DAC还是电压型DAC取决于具体的应用需求。电流型DAC通常适用于对输出负载变化敏感、功耗要求较低且需要较高动态范围的应用。而电压型DAC则适用于对输出电压稳定性要求较高、对负载匹配较为灵活的应用。

本篇采用的DAC芯片是TLV5618A。这是一款双通道，12bit的电压输出型DAC。

硬件电路

在这里插入图片描述

TLV5618A

这里截取了74HC595的部分数据手册，读者自行阅读。

在这里插入图片描述

波形图

在这里插入图片描述

代码展示

module tlv5618_driver(clk,rst_n,dac_data,dac_load_en_go,cs_n,sclk,din,dac_convert_busy
);input 		 clk;input 		 rst_n;input [15:0] dac_data;input 		 dac_load_en_go;output 		 cs_n;output 		 sclk;output 		 din;output 		 dac_convert_busy;reg [15:0] r_dac_data;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_dac_data <= 16'd0;else if(dac_load_en_go == 1'b1)r_dac_data <= dac_data;elser_dac_data <= r_dac_data;endlocalparam SPI_CLK = 12_500_000;localparam SYS_FREQ = 50_000_000;localparam SPI_CLK_DR =  SYS_FREQ / SPI_CLK;	//freq = 12.5Mhz,Fmax = 20Mhzreg r_dac_convert_en;wire w_dac_convert_end;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_dac_convert_en <= 1'b0;else if(dac_load_en_go == 1'b1)r_dac_convert_en <= 1'b1;else if(w_dac_convert_end == 1'b1)r_dac_convert_en <= 1'b0;elser_dac_convert_en <= r_dac_convert_en;endassign dac_convert_busy = ~r_dac_convert_en;reg [$clog2(SPI_CLK_DR)-1:0]r_sclk_cnt;wire w_sclk_pluse;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_sclk_cnt <= 'd0;else if(r_dac_convert_en == 1'b1) beginif(r_sclk_cnt == SPI_CLK_DR - 1'd1)r_sclk_cnt <= 'd0;else	r_sclk_cnt <= r_sclk_cnt + 1'd1;endelser_sclk_cnt <= 'd0;endassign w_sclk_pluse = (r_sclk_cnt == 'd1) ? 1'b1 : 1'b0;reg [5:0] r_bit_cnt;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_bit_cnt <= 'd0;else if(r_dac_convert_en == 1'b1) beginif(w_sclk_pluse == 1'b1)r_bit_cnt <= r_bit_cnt + 1'b1;else r_bit_cnt <= r_bit_cnt;endelser_bit_cnt <= 'd0;endassign w_dac_convert_end = (r_bit_cnt == 6'd35) ? 1'b1 : 1'b0;reg r_sclk;reg r_cs_n;reg r_din;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginr_cs_n <= 1'b1;r_din <= 1'b0;r_sclk <= 1'b0;endelse begincase(r_bit_cnt)6'd0 : begin r_cs_n <= 1'b1; r_din <= 1'b0; r_sclk <= 1'b0; end6'd1 : begin r_cs_n <= 1'b0; r_din <= 1'b0; r_sclk <= 1'b0; end6'd2 : begin r_din <= r_dac_data[15]; r_sclk <= 1'b1; end6'd3 : begin r_sclk <= 1'b0; end6'd4 : begin r_din <= r_dac_data[14]; r_sclk <= 1'b1; end6'd5 : begin r_sclk <= 1'b0; end6'd6 : begin r_din <= r_dac_data[13]; r_sclk <= 1'b1; end6'd7 : begin r_sclk <= 1'b0; end	6'd8 : begin r_din <= r_dac_data[12]; r_sclk <= 1'b1; end6'd9 : begin r_sclk <= 1'b0; end		6'd10 : begin r_din <= r_dac_data[11]; r_sclk <= 1'b1; end6'd11 : begin r_sclk <= 1'b0; end			6'd12 : begin r_din <= r_dac_data[10]; r_sclk <= 1'b1; end6'd13 : begin r_sclk <= 1'b0; end				6'd14 : begin r_din <= r_dac_data[9]; r_sclk <= 1'b1; end6'd15 : begin r_sclk <= 1'b0; end		6'd16 : begin r_din <= r_dac_data[8]; r_sclk <= 1'b1; end6'd17 : begin r_sclk <= 1'b0; end		6'd18 : begin r_din <= r_dac_data[7]; r_sclk <= 1'b1; end6'd19 : begin r_sclk <= 1'b0; end		6'd20 : begin r_din <= r_dac_data[6]; r_sclk <= 1'b1; end6'd21 : begin r_sclk <= 1'b0; end		6'd22 : begin r_din <= r_dac_data[5]; r_sclk <= 1'b1; end6'd23 : begin r_sclk <= 1'b0; end		6'd24 : begin r_din <= r_dac_data[4]; r_sclk <= 1'b1; end6'd25 : begin r_sclk <= 1'b0; end		6'd26 : begin r_din <= r_dac_data[3]; r_sclk <= 1'b1; end6'd27 : begin r_sclk <= 1'b0; end6'd28 : begin r_din <= r_dac_data[2]; r_sclk <= 1'b1; end6'd29 : begin r_sclk <= 1'b0; end	6'd30 : begin r_din <= r_dac_data[1]; r_sclk <= 1'b1; end6'd31 : begin r_sclk <= 1'b0; end		6'd32 : begin r_din <= r_dac_data[0]; r_sclk <= 1'b1; end6'd33 : begin r_sclk <= 1'b0; end			6'd34 : begin r_cs_n <= 1'b0; r_din <= 1'b0; r_sclk <= 1'b1; end  //notes:the next positive clock edge following the 16th falling clock edge.6'd35 : begin r_cs_n <= 1'b1; r_din <= 1'b0; r_sclk <= 1'b0; enddefault:begin r_cs_n <= 1'b1; r_din <= 1'b0; r_sclk <= 1'b0; endendcaseendendassign sclk = r_sclk;assign cs_n = r_cs_n;assign din = r_din;endmodule

TLV5618驱动代码有几点需要注意：

由硬件电路可知TLV5618的参考电压为2.048V，根据DAC输出公式可知 $2REF\frac{CODE}{2^{n}}$ V,需要注意TLV5618在输出端接了一个放大倍数两倍的放大器;CODE的范围是0 ~ $2^{n}-1)$ ,n=12，所以CODE的范围为0~4095。
$V_{out} = 2 * 2.048 *\frac{CODE}{2^{12}}$
本设计中SCLK的频率是12.5MHz,那么可以得到本设计中 $t_{su(CS-CK)}$ =80ns, $t_{su(C16-CS)}$ =80ns。如果需要设计数据连续发送时，本设计一次发送周期需要1400ns，此时需要注意与 $t_{s(FS)}$ 的值进行比较，要不然会导致精度下降，所以需要延迟一段时间用来满足设计需求。
SCLK需要注意第16个下降沿之后还需要在产生一次上升沿！！！，这样数据才能送到保持寄存器或者控制寄存器。