FPGA初级项目10——基于SPI的DAC芯片进行数模转换

DAC芯片介绍

DAC 芯片（数字模拟转换器）是一种将数字信号转换为连续模拟信号（如电压或电流）的集成电路，广泛应用于电子系统中，连接数字世界与模拟世界。
 

核心功能

数字到模拟转换：将离散的二进制数字信号（如 0 和 1 的组合）转换为连续的模拟信号，使计算机、微控制器等数字设备能够驱动扬声器、显示器、传感器等模拟设备。
应用领域：音频处理（音乐播放器、手机）、视频显示（CRT 显示器）、通信系统（无线信号调制）、工业控制（执行器驱动）等。

关键性能指标

需要明确：输出电压由参考电压决定，输入的数字量起到一个分压作用。
分辨率：表示 DAC 能区分的最小电压变化，通常以位数衡量（如 16 位、24 位）。位数越高，输出越精细。
精度：包括微分非线性（DNL）和积分非线性（INL），反映输出与理想值的偏差，精度越高，信号失真越小。
建立时间：从输入变化到输出稳定所需的时间，高速应用（如通信）需短建立时间。
动态范围：最大信号与噪声的比值，决定 DAC 处理强弱信号的能力（单位：dB）。

典型应用场景

音频设备：如手机、耳机、Hi-Fi 播放器中的 DAC 芯片（如 AK4490、CS43131），直接影响音质。
工业控制：将数字指令转换为模拟信号控制电机、阀门等执行器（如 DAC0832）。
通信系统：生成调制信号用于无线传输。
医疗设备：控制成像设备或监测仪器的模拟输出。

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选用芯片

这次使用的DAC芯片为TLV5618，其具体参数为：12位的分辨率；1Msps转换速率；双通道模拟输出（可使用两个通道A,B输出电压）；最高可达到20M赫兹时钟输出
且经过换算关系有：输出电压U = 输入数字量code；

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问题分析

1. 该模块书写思路与上一篇文章ADC转换大体上一致，同样我们写的是DAC芯片的驱动电路。我们所需明确的学习目标有：学会读芯片手册了解相关信息；学习线性序列机LSM的思想；

2. 根据芯片的时序要求，DAC芯片在SCLK的下降沿采样DIN上的数值（已经稳定），DIN数值在SCLK上升沿变化；值得注意的是：DIN的D15-D12为配置位（配置转换速率与功率；已经相应的通道选择）；D11-D0才是正常数据位的传输。

3. 因为TLV5618芯片为双通道。那么如果我想要两个通道同时输出不同的电压值该怎么办呢？例如通道A输出1V，通道B输出2V。解决思路就是利用TLV5618芯片内部结构自带的buffer缓冲器！通过相应的通道选择模式，第一步先将2V输入buffer；第二步再将1V输入通道A，同时buffer输入给通道B。

4. 再有的就是要严格按照芯片的时序要求来设置驱动电路。考虑相关的建立时间与保持时间，例如在开始阶段，将CS电平拉低，DIN，SCLK电平拉高，这样可满足时序要求；同样的在结束阶段，在SCLK最后一个上升沿来临时，要保证CS为低电平，否则很有可能采样不到最后一个数据（芯片手册要求）。

5. 同时还有一些辅助信号的撰写（模仿上篇文章的思路），例如使能信号，采样开始与采样停止信号的触发条件等。（详情看代码）

好的，解决完上述问题，我们来代码！

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代码展示

//定义端口输入输出
module DAC_driver(Clk,Rst_n,DAC_DATA,Set_Go,Set_Done,DAC_CS_N,DAC_SCLK,DAC_DIN
);input Clk;input Rst_n;input [15:0]DAC_DATA;input Set_Go;output reg Set_Done;output reg DAC_CS_N;output reg DAC_SCLK;output reg DAC_DIN;parameter CLOCK_FREQ = 50_000_000;parameter SCLK_EREQ = 12_500_000;parameter MCNT_DIV_CNT = CLOCK_FREQ / (SCLK_EREQ * 2) - 1;reg [7:0]DIV_CNT;reg [5:0]LSM_CNT;reg [15:0]r_DAC_DATA;//一个暂存器，将用户输入的数据暂时存储     
always@(posedge Clk)
if(Set_Go)r_DAC_DATA <= DAC_DATA;
elser_DAC_DATA <= r_DAC_DATA;//使能信号的确立  reg Set_En;
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)Set_En <= 1'd0;
else if(Set_Go)Set_En <= 1'd1;
else if((LSM_CNT == 6'd33) && (DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT))Set_En <= 1'd0;
elseSet_En <= Set_En;//最小时间单元
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)DIV_CNT <= 0;
else if(Set_En)beginif(DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT) DIV_CNT <= 0;else DIV_CNT <= DIV_CNT + 1'd1;end
elseDIV_CNT <= 0;//序列计数器
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)LSM_CNT <= 6'd0;
else if(DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT)beginif(LSM_CNT <= 6'd33)LSM_CNT <= 6'd0;elseLSM_CNT <= LSM_CNT + 1'd1;end
elseLSM_CNT <= LSM_CNT;//线性序列机的驱动输出
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)beginDAC_SCLK <= 1'd1;DAC_DIN <= 1'd1;DAC_CS_N <= 1'd1; end
else if(DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT)begincase(LSM_CNT)0 : begin  DAC_CS_N <= 1'd0; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[15]; DAC_SCLK <= 1'd1; end1 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end2 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[14]; end3 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end4 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[13]; end5 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end6 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[12]; end7 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end8 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[11]; end9 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end10 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[10]; end11 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end12 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[9]; end13 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end14 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[8]; end15 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end16 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[7]; end17 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end18 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[6]; end19 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end20 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[5]; end21 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end22 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[4]; end23 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end24 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[3]; end25 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end26 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[2]; end27 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end28 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[1]; end29 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end30 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; DAC_DIN <= r_DAC_DATA[0]; end31 : begin  DAC_SCLK <= 1'd0; end32 : begin  DAC_SCLK <= 1'd1; end33 : begin  DAC_CS_N <= 1'd1; enddefault: DAC_CS_N <= 1'd1;endcaseend//产生结束信号 
always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)Set_Done <= 0;
else if((LSM_CNT == 6'd33) && (DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT))Set_Done <= 1'd1;
elseSet_Done <= 1'd0;endmodule

综合出来的底层系统逻辑图schematic如下：