在測控系統(tǒng)中用IP核實現(xiàn)D/A轉換
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摘要：采用數(shù)字化技術、在測控系統(tǒng)中用IP核實現(xiàn)D/A轉換，并且在1片可編程邏輯器件中實現(xiàn)。它不受溫度的影響，既可保持高分辨率，又可降低對電路精度和穩(wěn)定度的要求，并減少元件的數(shù)量。 關鍵詞：IP D/A VHDL 可編程邏輯器件 在各類電子系統(tǒng)中，數(shù)字電路所占比重越來越大。這主要是因為數(shù)字電路相對于模擬電路有一些突出的優(yōu)點，例如： *數(shù)字電路中的有源器件工作在飽和區(qū)與截止區(qū)，工作狀態(tài)穩(wěn)定； *數(shù)字電路處理的是二值信號，易于存儲和再生； *數(shù)字電路是由大量相同的基本單元，如門、觸發(fā)器等所組成，易于大規(guī)模集成，易于自動化設計工具的應用等。 由于數(shù)字電路的以上特點，再加上數(shù)字計算機和數(shù)字信號處理技術的迅速發(fā)展，使得數(shù)字電路從集成規(guī)模、應用范圍及設計自動化程度等方面大大超過了模擬電路，越來越多的由模擬電路實現(xiàn)的功能轉由數(shù)字電路實現(xiàn)，進入了電子系統(tǒng)數(shù)字化的時代。 在測控系統(tǒng)采用數(shù)字化技術，將原來由模擬電路實現(xiàn)的D/A由數(shù)字電路實現(xiàn)。 IP（知識產(chǎn)權）核將一些在數(shù)字電路中常用，但比較復雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設計成可修改參數(shù)的模塊。IP核的重用是設計人員贏得迅速上市時間的主要策略。隨著CPLD/FPGA的規(guī)模越來越大，設計越來越復雜（IC的復雜度以每年55%的速率遞增，而設計能力每年僅提高21%），設計者的主要任務是在規(guī)定的時間周期內完成復雜的設計。調用IP核能避免重復勞動，大大減輕工程師的負擔，因此使用IP核是一個發(fā)展趨勢。 IP核包括硬IP與軟IP?？膳渲肐P是參數(shù)化后的可重定目標IP，其優(yōu)點是可以對功能加以裁剪，以符合特定的應用。這些參數(shù)包括總線寬度、存儲器容量、使能或禁止功能塊。 硬IP最大的優(yōu)點是確保性能，如速度、功耗等。然而，硬IP難以轉移到新工藝或集成到新結構中，是不可重配置的。 軟IP是以綜合形式交付的，因而必須在目標工藝中實現(xiàn)，并由系統(tǒng)設計者驗證。其優(yōu)點是源代碼靈活，可重定目標于多種制作工藝，在新功能級中重新配置。 不過目前大多數(shù)庫是收費的，但也可以從網(wǎng)上下載一些免費的IP核。 2 用IP核實現(xiàn)的D/A轉換器的功能及特點 數(shù)字到模擬轉換器（DACs）將一個二進制數(shù)轉換為與之對應的電壓值，目前常用的D/A轉換器都是由電阻或電容加權網(wǎng)絡、受碼元控制的開關和基準電壓或電流源組成。當D/A轉換器需要轉換的信號每次取樣字長很長時，對這些電路的精度要求很高，并且還必須在整個溫度范圍和整個使用壽命期間內保持電路參數(shù)的穩(wěn)定。例如，一個16位的D/A轉換器，其MSB的精度必須在1/2 16以內，這是很困難的。所以，需尋求一種中保持高分辨率又可降低對電路精度和穩(wěn)定度要求的方法。 可綜合的Delta-Sigma DAC（術語Delta-Sigma分別指算術差與和，即Δ-∑DAC），是Xilinx公司提供的免費IP核，可從網(wǎng)上下載得到。 Delta-Sigma DAC使用數(shù)字技術，因而它不溫度的影響，并且能在一片可編程邏輯器件中實現(xiàn)。避免在D/A轉換器中使用匹配電阻，不僅能更便宜，而且，其轉換是線性的。Delta-Sigma DAC實際上是高速單個位的DAC，用數(shù)字反饋技術，在輸出端產(chǎn)生一串脈沖。脈沖串中信號為高電平的時間部分與二進制輸入成比例，當這個脈沖串通過一個模擬低通濾波器后就得到一個模擬輸出信號。 圖1是一個典型的可編程邏輯器件實現(xiàn)的DAC的頂層電路圖，輸入信號有復位信號、時鐘信號以及二進制數(shù)據(jù)總線。輸出DACoutDrvr驅動一個外部的低通濾波器Vout能從0V～Vcco。這里Vcco是FPGA I/O塊的供電電壓。輸入/輸出詳細說明如表1所列。
DAC的二進制輸入是一個無符號數(shù)?！?”代表最低電壓，輸出的模擬電壓也只有正的?！?”輸入產(chǎn)生0V輸出，輸入端全“1”，則輸出近似達到Vcco。 圖2是Delta-Sigma DAC的原理框圖，二進制輸入的位寬是可變的。為簡單起見，電路原理圖描述了一個8位二進制輸入的DAC。 在這個器件中，二進制加法器用來產(chǎn)生和，也用來產(chǎn)生差。盡管Delta Adder的輸入是無符號數(shù)，兩個加法器的輸出卻都是有符號數(shù)。Delta Adder計算DAC輸入和當前DAC輸出的差，并用一個二進制數(shù)表示。因為DAC的輸出是一個單個的位，因此它不是1就是0。如圖2所示，當輸入加上由Sigma Latch的輸出的兩個拷貝與0構成的10位數(shù)，就產(chǎn)生差值，這也補償了DACIN是無符號數(shù)的事實。Sigma Adder將它原來的輸出（保存在Sigma Latch中）與當前的Delta Adder的輸出相加。 圖1中輸出電壓與輸入電壓的關系為 VOUT=(DACIN/(2MSBI+1))VCCO 式中單位為V。 例如，對于一個8位DAC（MSBI=7）,最后的輸出是這樣：DACIN輸入是0，則輸出也是0；DACIN輸入是十六進制數(shù)FF時，輸出值為最大(255/256)Vcco。 阻容低通濾波器適合多數(shù)應用需要，一個簡單的阻容低通濾波器就能工作得很好。 Vs的定義是：DAC輸入增加或減少時，在Vout端產(chǎn)生變化的絕對值。對一個8位DAC，Vs等于（1/256）Vcco。 Vout能夠產(chǎn)生在0V～Vcco之間可變的電壓，具體的值由DACIN的位寬和輸入的數(shù)值決定。 Delta-Sigma DAC適合需要相對高精度的低頻應用。在這種應用中，電壓不會很快地變化，因此，RC的時間常數(shù)可以很大，以減小噪聲。 這種DAC最廣泛的應用就是產(chǎn)生通常直流電壓。這包括電壓控制振蕩器、電壓控制運算放大器、I/O參數(shù)電壓、可編程電壓源、波形發(fā)生器（正弦、三角等）、A/D轉換中的參考電壓等。 Delta-Sigma DAC是一個例子，說明高速可編程邏輯器件能用于混合信號系統(tǒng)，以減少元件的數(shù)量?？删幊踢壿嬈骷乃俣群兔芏仁顾鼈兂蔀槟M信號產(chǎn)生和處理方面理想的元件。 library ieee; use ieeestd_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity dac_ds is port(reset :in std_logic; clk :in std_logic; din :in std_logic_vector(7 downto 0);--Signed integer dout :out std_logic; ); end dac_ds; architecture arch_dac_ds of dac_ds is signal error :std_logic_vector(9 downto 0);--Error accumulator is 2 bits larger constant zeros:std_logic_vector(7 downto 0):=(others=>'0'); begin process(reset,clk,din) variable val :std_logic_vector(9 downto 0); begin if reset='1'then error=(others=>'0'); dout='0'; elsif clk'event and clk='1' then --val:=din+error;din is sign extended to nbits+2 val:=(din(din'high)din(din'high)din)+error; if val(val'high)='0'then dout='1'; error=val+("11" zeros); else dout='0'; error=val+("01"zeros); end if; end if; end process; end arch_dac_ds; 4 芯片的選擇和配置 選擇MAX7000S系列可編程邏輯器件，編譯后由MAX+PLUS II軟件自動配置進EMP7032SLC44芯片，將生成的目標文件通過編程電纜對器件進行編程。 將該IP核實現(xiàn)的D/A轉換器用于新型智能電阻爐溫度控制儀中，因為調節(jié)爐溫的信號不要求變化很快，因此DAC的輸入二進制信號為緩變信號。對于這種低頻應用，可以將RC時間常數(shù)取得較大，以減小噪聲。這樣，可綜合的VHDL語言Delta-Sigma DAC模塊配置進EMP7032芯片后，達到了預期的效果。 |
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