基于AD7543和FPGA的数／模转换电路设计

引 言
    数／模转换(D／A)电路，是数字系统中常用的电路之一，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。AD7543是Analog Device公司生产的的12位数／模转换(D／A)芯片，它采用串行数据输入形式，即数字信号被一位一位地写入AD7543数／模转换(D／A)芯片中，因此，AD7543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AD7543，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)直接控制模转换(D／A)芯片AD7543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 AD7543简介
1．1 AD7543主要特性
    AD7543主要特性为：
    分辨率：12位；
    非线性误差：±1／2 LSB；
    输入方式：串行正或负选通；
    初始化：异步输入清零方式；
    工作电压：+5 V；
    最大功耗：40 mW。
1．2 封装形式和引脚功能
    AD7543有三种封装形式：16引脚的DIP和20引脚的PCCC与PLCC，其封装形式如图1所示，设计者可根据实现需求进行选择，其引脚功能说明如下：
    OUT1：数／模转换(D／A)器电流输出端，通常接到放大器正输入端；
    OUT2：数／模转换(D／A)器电流输出端，通常接到模拟地；
    AGND：模拟地端，接到模拟地；
    STB1：寄存器A选通1信号输入端；
    LD1：寄存器B装人选通1输入端，LD1和LD2都为低电平时，寄存器A的内容被装入到寄存器B中；
    N／C：悬空；
    SRI：串行数据输入端，与寄存器A低位相连；
    STB2：寄存器A选通2信号输入端；
    LD2：寄存器B装入选通2输入端，LD1和LD2都为低电平时，寄存器A的内容被装入到寄存器B中；
    STB3：寄存器A选通3信号输入端；
    STB4：寄存器A选通4信号输入端；
    DGND：数字地端；
    CLR：异步清寄存器B输入端，当为低电平时，清寄存器B内容，寄存器A内容不变；
    VDD：5 V供电输入端；
    VREF：参考电压输入端；
    RBF：反馈输入端。

1．3 数／模转换芯片AD7543器件工作原理
    在AD7543器件内部，有两个寄存器：寄存器A和寄存器B。寄存器A是12位串行输入并行输出的移位寄存器，其低位与SRI引脚相连。在STB1，STB2和STB4上升沿或STB3下沿作用下，移位寄存器A发生移位，SRI引脚上的串行数据被装进寄存器A中，当要写入数据全部被装进寄存器A时，再给AD7543一个装载负脉冲(LD1和LD2均为低电平)，把移位寄存器A的内容装到寄存器B中，通过后续电路完成D／A转换。当CLR为低电平时，寄存器B的数据被清零，输出的电压为零，简化初始化过程。图2为AD7543数／模转换(D／A)的工作时序图。

2 基于AD7543的数／模转换器电路设计
    图3为基于AD7543数／模转换芯片的数／模转换器电路，由于AD7543的内部无运算大器，输出为电流形式，在应用中，必须外接一个运放器，因此，AD7543的第1和2脚分别接在LM324运放的反向输入口与同相输入口，AD7543的第15脚(参考电压输入端)接在-10 V的电源上，当寄存器B的位数全为高电平时，输出电平接近10 V。AD7543的输入时序信号CLR，STB2，LD和SRI由外接的可编程逻辑器件(FPGA)产生。AD7543的第8脚和11脚接地。运放器LM324正负电源引脚分别接在正负12 V的电源上。

3 AD7543工作时序FPGA实现
    AD7543是串行输入数／模转换芯片，被转换数据是逐位写进AD7543中，因此，AD7543工作时，要有正确的工作时序，工作时序在QuartusⅡ开发环境中利用硬件描述语言Verilog HDL描述。QuartusⅡ是Altera公司的EDA开发工具，它是集设计输入、编译、逻辑综合、器件引脚管理、功能仿真、定时分析、编程下载等于一体的可编程逻辑器件设计环境。
    在设计中，为了降低设计成本，FPGA采用Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片。。EP1C6Q240C8芯片，不仅集成了5 980个逻辑单元 (LEs)，还集成了20个4 KB双口存储单元(M4KRAM BLock)和92 160 b的普通高速RAM等资源。
    打开Quartus II软件，新建一个工程管理文件。在工程管理文件中，新建一个Verilog HDL源程序文件，用硬件描述语言Verilog HDL编写程序，实现控制功能，其代码如下：

4 FPGA时序模块仿真
    为了进一步的验证FPGA控制器模块的正确性，在下载到目标器件之前，可以对此模块进行时序仿真。在工程文件中，首先要新建一个以vwf结尾的波形文件。在弹出的对话框中添加要观察的引脚，然后再设定时钟相关参数和保存波形文件，最后在编译顶层文件之后，可对此模块进行仿真。如图4为FPGA控制器模块仿真波形，CLOCK为此模块的工作时钟，时间周期设为40 ns；ida为并行输入数据，STI为串行输出，STB1为选通脉冲信号。由图可知，STB1的上升沿把STI引脚上的数据装入寄存器A中，装满寄存器A后，LOD设为低电平，把寄存器A的内容装入寄存器B中。仿真时序与图1的时序一致，满足设计要求。

5 结 语
    针对采用软件控制AD7543数／模转换芯片所具有的缺点的基础上，采用硬件(FPGA)直接对AD7543转换芯片进行控制的方式来设计数／模转换电路，给出具体的硬件实现电路和控制器的Verilog HDL实现代码。因为FPGA控制器是一个独立单元，它几乎不需要CPU的干预就能工作，在电路中分担了CPU的工作量，这不仅提高CPU实时处理信号能力，还会提高系统的可靠性，具有一定的实用价值与参考价值。在此设计了基于FPGA与AD7543转换芯片的数／模转换电路，AD7543的工作时序全部用FPGA器件产生，提高系统的可靠性。