如何使用FPGA驱动并行ADC和并行DAC芯片

概述

ADC和DAC是FPGA与外部信号的接口，从数据接口类型的角度划分，有低速的串行接口和高速的并行接口。FPGA经常用来采集中高频信号，因此使用并行ADC和DAC居多。本文将介绍如何使用FPGA驱动并行ADC和并行DAC芯片。

并行接口包括两种数字编码方式：带符号数signed与无符号数unsigned。本文还将介绍使用不同编码方式的ADC与DAC时需要注意的问题。

接口协议

以ADI公司的32M、8位ADC芯片AD9280和125M、8位DAC芯片AD9708为例（这是淘宝上最容易买到的AD/DA模块）。

AD9280的时序图如下：

AD9708的时序图如下：

由时序图可知，AD9280在每个输入clock的上升沿对输入的模拟信号做一次采集，采集数据由数据总线data输出；AD9708也是在每个输入clock的上升沿读取数据总线DB0-DB7上的数据，将其转换为相应的电流IOUTA/IOUTB输出。

这两个芯片的管脚虽然很多，但大多数都是与硬件设计有关。其实几乎所有的并行ADC和并行DAC与FPGA之间的接口只有一条时钟线与一组数据总线，数据总线的位宽即为ADC/DAC的位数。每个时钟周期ADC都会完成一次采集（DAC完成一次输出），因此时钟频率也就是ADC和DAC的采样频率。

FPGA设计

并行ADC和DAC的接口时序驱动非常简单，只要利用Quartus或Vivado自带的时钟管理IP核生成预期采样频率的时钟信号，驱动时钟线，从数据总线上读出或写入数据即可。

比如下面的代码实现了将ADC采集到的数据再通过DAC输出

`timescale 1ns / 1ps

//-----------------------------------------------

// 将ADC采集到的数据通过DAC输出

//-----------------------------------------------

module adda_test

(

    input clk, 

    output daclk,

    output [7:0] dadata,       //DA data

    output adclk,

    input [7:0] addata        //AD data

);

PLL PLL_inst

(

    .clk_in1(clk),         // IN

    // Clock out ports

    .clk_out1(adclk),     // OUT 32Mhz

    .clk_out2(daclk),     // OUT 32Mhz

    // Status and control signals

    .reset(1'b0),          // IN

    .locked()

);      

assign dadata = addata;  

endmodule

上述代码中实例化了一个PLL IP核产生ADC和DAC所需频率的时钟，Quartus中该IP核叫做“PLL”，Vivado中该IP核叫做“Clocking Wizard”。

为了保证DAC输出与ADC采集到的信号相同，将两者时钟频率设置相同，且连接二者的数据总线。上述代码可以使用开发板和AD/DA模块进行实际测试。

编码方式问题

上文用到的AD9280和AD9708都是无符号数编码，而我们知道无论是Vivado还是Quartus中大多数的IP核采用的都是带符号数二进制补码的编码方式，这就导致ADC/DAC的数据总线不能与IP核接口直接对接，必须做一定的转换处理。

考虑到上述数字系统的特点，市场上也存在不少以带符号数二进制补码接口的ADC/DAC，比如65M、12位ADC芯片AD9226。如果使用这种编码方式的芯片，数据总线就可以直接与IP核接口对接，不需要做特殊处理。

但是，我们总会不可避免的遇到类似这样的情况：

1. ADC或DAC是无符号数编码，而设计中需要使用一些带符号数接口的IP核；

2. ADC是带符号数编码，而设计中仅需获取测量值，并不需要与其它带符号数接口的模块对接。

当遇到情况1时，需要进行无符号数编码与带符号数编码之间的转换。将ADC采集到的8位无符号数转换为带符号数补码形式的代码如下：

  /**** 将addata转化为带符号二进制补码形式 ****/

    reg [7:0] ad_data;

    always @ (posedge clk or negedge rst_n)

        if (!rst_n)  ad_data <= 8'd0;

        else ad_data <= addata - 128;    //AD9280采集输入

将带符号数补码转换为8位无符号数通过DAC输出的代码如下：

   /**** 将dadata转化为无符号数形式 ****/

    reg [7:0] da_data;

    always @ (posedge clk or negedge rst_n)

        if (!rst_n)  da_data <= 8'd0;

        else da_data <= dadata + 128;    //AD9708输出

当遇到情况2时，需要将不易直接观察的带符号数补码形式转换为带符号数原码形式，使其更加直观。代码如下：

always @(posedge ad_clk)                          //AD9226采集

    if(ad_ch1[11]==1'b1) begin                     //如果是负电压

        ch1_reg<=12'hfff - ad_ch1 + 1'b1;

         ch1_sig <= 45;                                //'-' asic码

     end

     else begin

       ch1_reg<=ad_ch1;

         ch1_sig<=43;                                //'-' asic码

     end    

转换的依据是一个简单的运算关系：“补码的整数值”+“原码绝对值的整数值”=2^B，B为位宽。比如带符号数原码1110的补码为1010：1110取绝对值0110为6；1010为10，二者加起来为2^4=16。

上述代码便是利用了这个运算关系。为了节省位宽，先用12’hfff减掉补码，再加1，达到同样的效果，得到带符号数原码的绝对值。根据符号位便可以知道这个原码的正负情况。