基于FPGA的數(shù)字電壓表（AD）設計

設計背景

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，又稱A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)換為抗干擾性更強的數(shù)字信號的電子器件。一般的ADC是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小，故任何一個ADC都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換標準。比較常見的參考標準為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小，而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。本設計則通過對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（TLC549）的采樣控制，實現(xiàn)一個簡易的數(shù)字電壓表。

設計原理

TLC549典型的配置電路如下圖所示：

TLC549的端口描述如下：

TLC549是一個8位的串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換時間最大為17us，最大轉(zhuǎn)換速率為4MHz。下圖為TLC549的訪問時序，從圖中可以看出，TLC549的使用只需對外接輸入輸出時鐘（I/O CLK）和芯片選擇（/CS）、輸入的模擬信號（ANALOG IN）的控制。

分析時序圖可知：當片選信號（/CS）拉低時，ADC前一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（A）的最高位A7立即出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線DATA OUT上，之后的數(shù)據(jù)在時鐘I/O CLOCK的下降沿改變，可在I/O CLOCK的上升沿讀取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換時，/CS要置為高電平。在設計操作時，要注意Tsu（CS）、Tconv、Twh（CS）和I/O CLOCK的頻率這幾個參數(shù)。Tsu（CS）為CS拉低到I/O CLOCK第一個時鐘到來的時間，至少要1.4us；Twh（CS）為ADC的轉(zhuǎn)換時鐘，不超過17us，Tconv的值也不超過17us；I/O CLOCK為 1.1MHz。其他參數(shù)可參考數(shù)據(jù)手冊。

由于ADC是8位的，所以采樣的電壓值為：

V =（D*Vref）/256

其中V為采樣的電壓值；D為ADC轉(zhuǎn)換后讀取的8位二進制數(shù)；Vref為參考電壓值，此處為2.5V。

設計架構(gòu)

本設計通過調(diào)節(jié)電位器RW1改變ADC的模擬輸入值，數(shù)據(jù)采樣讀取后由數(shù)碼管顯示，最后用萬用表測量輸入電壓，并與讀取在數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)（單位為mV）作比較。設計的架構(gòu)圖如下：?

設計架構(gòu)圖對應端口的功能描述表：

tlc549_Driver模塊采用序列機實現(xiàn)接口訪問時序，并且產(chǎn)生1MHz的ADC_Clk和采集到ADC_data；Control模塊，將采集到的ADC數(shù)據(jù)（ADC_data）換算成對應的電壓值，并經(jīng)過二進制到BCD轉(zhuǎn)換以后傳送到數(shù)碼管；DIG_LED_DRIVE模塊負責數(shù)碼管的驅(qū)動，將傳遞過來的數(shù)據(jù)顯示出來。

設計代碼

AD_TLC549頂層模塊代碼：

module AD_TLC549(Clk,Rst_n,ADC_Din,ADC_Clk,ADC_Cs_n,Dig_Led_sel,Dig_Led_seg);


  input Clk;
  input Rst_n;
  input ADC_Din;


  output ADC_Clk;
  output ADC_Cs_n;
  output [2:0]Dig_Led_sel;
  output [7:0]Dig_Led_seg;


  wire Get_Flag;
  wire [7:0]ADC_data;
  wire [23:0]seg_data;


  tlc549_Driver tlc549_Driver(  
    .Clk(Clk),
    .Rst_n(Rst_n),
    .En(1'b1),
    .ADC_Din(ADC_Din),
    .ADC_Clk(ADC_Clk),
    .ADC_Cs_n(ADC_Cs_n),
    .Data(ADC_data),
    .Get_Flag(Get_Flag)
  );


  Control Control(
    .Clk(Clk),
    .Rst_n(Rst_n),
    .Get_Flag(Get_Flag),
    .ADC_data(ADC_data),
    .seg_data(seg_data)
  );


  DIG_LED_DRIVE DIG_LED_DRIVE(
    .Clk(Clk),    
    .Rst_n(Rst_n),    
    .Data(seg_data),    
    .Dig_Led_seg(Dig_Led_seg),
    .Dig_Led_sel(Dig_Led_sel)  
  );


endmodule

tlc549_Driver模塊代碼：

module tlc549_Driver (Clk,Rst_n,En,ADC_Din,ADC_Clk,ADC_Cs_n,Data,Get_Flag);


  input Clk;  //系統(tǒng)50MHz時鐘輸入
  input Rst_n;//全局復位
  input En;   //ADC轉(zhuǎn)換使能，高電平有效


  input ADC_Din;//ADC串行數(shù)據(jù)輸入


  output reg ADC_Clk; //ADC時鐘信號輸出
  output reg ADC_Cs_n;//ADC片選信號輸出
  output reg Get_Flag;//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成標志
  output reg [7:0] Data;//ADC轉(zhuǎn)換以后的電壓值


  reg [10:0] Cnt1;   //系統(tǒng)時鐘計數(shù)器
  reg [7:0] data_tmp;//數(shù)據(jù)寄存器


  //系統(tǒng)時鐘上升沿計數(shù)
  always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
  begin 
    if(!Rst_n)
      Cnt1 <= 11'd0;
    else if(!En)
      Cnt1 <= 11'd0;
    else if(Cnt1 == 11'd1310)
      Cnt1 <= 11'd0;
    else 
      Cnt1 <= Cnt1 + 1'b1;  
  end


  always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
  begin
    if(!Rst_n)
      begin
        ADC_Clk  <= 1'b0;
        ADC_Cs_n <= 1'b1;
        data_tmp <= 8'd0;
        Data <= 8'd0;
      end
    else if(En)
      begin
        case(Cnt1)
          1    :  ADC_Cs_n <= 1'b0;  //1~71（Tsu）
          71    :  begin ADC_Clk <= 1; data_tmp[7] <= ADC_Din;end
          96    :  ADC_Clk <= 0;
          121  :  begin ADC_Clk <= 1; data_tmp[6] <= ADC_Din;end
          146  :  ADC_Clk <= 0;
          171  :  begin ADC_Clk <= 1; data_tmp[5] <= ADC_Din;end
          196  :  ADC_Clk <= 0;
          221  :  begin ADC_Clk <= 1; data_tmp[4] <= ADC_Din;end
          246  :  ADC_Clk <= 0;
          271  :  begin ADC_Clk <= 1; data_tmp[3] <= ADC_Din;end
          296  :  ADC_Clk <= 0;
          321  :  begin ADC_Clk <= 1; data_tmp[2] <= ADC_Din;end
          346  :  ADC_Clk <= 0;
          371  :  begin ADC_Clk <= 1; data_tmp[1] <= ADC_Din;end
          396  :  ADC_Clk <= 0;
          421  :  begin ADC_Clk <= 1; data_tmp[0] <= ADC_Din;end
          446  :  begin ADC_Clk <= 0; ADC_Cs_n <= 1'b1; Get_Flag<=1;end
          447  :  begin Data <= data_tmp;  Get_Flag<=0; end //447~1310(Twh)
          1310:  ;
          default:;
        endcase  
      end
    else
      begin
        ADC_Cs_n <= 1'b1;
        ADC_Clk <= 1'b0;
      end
  end 


endmodule

? Control模塊代碼：

module Control(Clk,Rst_n,Get_Flag,ADC_data,seg_data);


  input Clk;//系統(tǒng)時鐘輸入
  input Rst_n;//系統(tǒng)復位
  input Get_Flag;//ADC采集數(shù)據(jù)完成標志
  input [7:0]ADC_data;//ADC采集數(shù)據(jù)輸入


  output reg [23:0]seg_data;//數(shù)碼管待顯示數(shù)據(jù)


  reg [3:0]qianwei;  //千位
  reg [3:0]baiwei;   //百位
  reg [3:0]shiwei;   //十位
  reg [3:0]gewei;    //個位
  reg [15:0]tenvalue;//采樣的電壓值


  //采集電壓值計算
  always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
  begin
    if(!Rst_n)
      tenvalue<=0;
    else if(Get_Flag)//新的數(shù)據(jù)采集完成，可以進行計算
      tenvalue<=(ADC_data*100*25)/256;
  end   


  //二進制轉(zhuǎn)BCD值
  always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
  begin
    if(!Rst_n) 
      begin 
        qianwei<=0;
        baiwei<=0;
        shiwei<=0;
        gewei<=0;
      end
    else 
    begin 
      qianwei<=tenvalue/1000;     //2
      baiwei<=(tenvalue/100)%10;  //5
      shiwei<=(tenvalue/10)%10;   //0
      gewei<=tenvalue%10;         //0
    end     
  end 


  //數(shù)碼管顯示數(shù)值
  always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
  begin
    if(!Rst_n)
      seg_data<=0;
    else
      seg_data<={
            qianwei,  //千位
            baiwei,   //百位
            shiwei,   //十位
            gewei,    //個位
            8'hFF     //空閑
          };
  end 


endmodule

? DIG_LED_DRIVE模塊代碼：

/*數(shù)碼管掃描模塊,位選為外部74hc138譯碼器進行控制*/
/*仿真時請將本文件設置為頂層，并在代碼中根據(jù)相應注釋中的內(nèi)容選擇cnt1_MAX = 24*/


  module DIG_LED_DRIVE(Clk,Rst_n,Data,Dig_Led_seg,Dig_Led_sel);


  input Clk;       //系統(tǒng)時鐘輸入
  input Rst_n;     //系統(tǒng)復位
  input [23:0]Data;//待顯示數(shù)據(jù)


  output [7:0]Dig_Led_seg;//數(shù)碼管段選
  output [2:0]Dig_Led_sel;//數(shù)碼管位選


  parameter system_clk = 50_000_000;


    localparam cnt1_MAX = 24;/*仿真的時候使用，板級驗證時請注釋掉*/
  //localparam cnt1_MAX = system_clk/1000/2-1;/*板級驗證的時候使用，仿真時請注釋掉*/


  reg [14 :0] cnt1;  //分頻計數(shù)器
  reg clk_1K;      //掃描時鐘，1KHz
  reg [2:0]sel_r;    //數(shù)碼管位選
  reg [7:0]seg_r;    //數(shù)碼管段選
  reg [3:0]disp_data;  //單位顯示數(shù)據(jù)緩存


  //1KHz時鐘分頻計數(shù)器
  always@(posedge Clk)
  begin
    if(!Rst_n)cnt1<=0;
    else if(cnt1==cnt1_MAX)cnt1<=0;
    else cnt1<=cnt1+1'b1;
  end


  //得到1KHz時鐘
  always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
  begin
    if(!Rst_n)
      clk_1K<=0;
    else if(cnt1==cnt1_MAX)
      clk_1K<=~clk_1K;
  end 


  //位選信號控制
  always@(posedge clk_1K or negedge Rst_n)
  begin
    if(!Rst_n)
      sel_r<=3'd0;
    else if(sel_r == 3'd3)
      sel_r<=3'd0;
    else
      sel_r<=sel_r+1'b1;
  end 


  //根據(jù)不同的數(shù)碼管位選擇不同的待顯示數(shù)據(jù)
  always@(*)
  begin
    if(!Rst_n)
      disp_data=4'd0;
    else
      begin
        case(sel_r)
          3'd0:disp_data=Data[23:20];
          3'd1:disp_data=Data[19:16];
          3'd2:disp_data=Data[15:12];
          3'd3:disp_data=Data[11:8];
          3'd4:disp_data=Data[7:4];
          3'd5:disp_data=Data[3:0];
          default :disp_data=4'd0;
        endcase
      end
  end 


  //數(shù)據(jù)譯碼，將待顯示數(shù)據(jù)翻譯為符合數(shù)碼管顯示的編碼
  always@(*)
  begin  
    if(!Rst_n)
      seg_r=8'hff;
    else
      begin
        case(disp_data)
          4'd0:    seg_r=8'hc0;
          4'd1:    seg_r=8'hf9;
          4'd2:    seg_r=8'ha4;
          4'd3:    seg_r=8'hb0;
          4'd4:    seg_r=8'h99;
          4'd5:    seg_r=8'h92;
          4'd6:    seg_r=8'h82;
          4'd7:    seg_r=8'hf8;
          4'd8:    seg_r=8'h80;
          4'd9:    seg_r=8'h90;
          4'd10:  seg_r=8'h88;
          4'd11:  seg_r=8'h83;
          4'd12:  seg_r=8'hc6;
          4'd13:  seg_r=8'ha1;
          4'd14:  seg_r=8'h86;
          4'd15:  seg_r=8'h8e;
          default : seg_r=8'hff;
        endcase
      end
  end 


  assign Dig_Led_seg = seg_r;
  assign Dig_Led_sel = sel_r;


endmodule

? 仿真測試

AD_TLC549_tb頂層測試代碼如下：

`timescale 1ns/1ps


module AD_TLC549_tb;


  reg Clk;
  reg Rst_n;
  reg ADC_Din;


  wire ADC_Clk;
  wire ADC_Cs_n;
  wire [2:0] Dig_Led_sel;
  wire [7:0] Dig_Led_seg;


  initial begin
    Clk = 1;
    Rst_n = 0;
    ADC_Din = 0;
    #200.1 
    Rst_n = 1;




    #1400 ADC_Din=1; //aa
    #1000 ADC_Din=0;
    #1000 ADC_Din=1;
    #1000 ADC_Din=0;
    #1000 ADC_Din=1;
    #1000 ADC_Din=0;
    #1000 ADC_Din=1;
    #1000 ADC_Din=0;  


    #17000 
    #1400 ADC_Din=1; //98
    #1000 ADC_Din=0;
    #1000 ADC_Din=0;
    #1000 ADC_Din=1;
    #1000 ADC_Din=1;
    #1000 ADC_Din=0;
    #1000 ADC_Din=0;
    #1000 ADC_Din=0;


    //#20000 $stop;
  end 


  AD_TLC549 AD_TLC549_dut(
    .Clk(Clk),
    .Rst_n(Rst_n),
    .ADC_Din(ADC_Din),
    .ADC_Clk(ADC_Clk),
    .ADC_Cs_n(ADC_Cs_n),
    .Dig_Led_sel(Dig_Led_sel),
    .Dig_Led_seg(Dig_Led_seg)
  );


  always #10 Clk = ~Clk;


endmodule

? 仿真圖如下所示：