医用FPGA开发教程-基于Xilinx和VHDL-第14讲-DAC实验

第14讲DAC实验1医用FPGA开发实用教程——基于Xilinx和VHDLPracticalTutorialonMedicalFPGADevelopment——BasedonXilinxandVHDL实验原理ExperimentalPrinciples“

基于FPGA高级开发系统的AD/DA转换模块，通过学习DAC，综合串口通信实验，实现FPGA输出8位的正弦波数据，使DAC模块输出一个正弦波信号，这个正弦波信号通过跳线帽，将DA模块的输出和AD模块的输入连接起来，然后通过串口读取ADC的数据输出，在PC端中的信号采集工具中显示正弦波。14.12硬件结构图

AD/DA转换模块硬件分为两个部分，分别为D/A转换模块和A/D转换模块；其中，DA电路由高速DA芯片AD9708、低通滤波器、幅度调节电路和模拟电压输出接口组成。3AD9708芯片

AD9708是一种高性能、低功耗CMOS数模转换器(DAC)，分辨率为8位，最大采样率为125MSPS（每秒采样百万次MillionSamplesperSecond）。其中，DB7～DB0为8位数字量输入端，DB0为最低位，DB7为最高位；CLOCK是芯片的时钟输入，数据在时钟的上升沿锁存；IOUTA和IOUTB则是DAC电流输出的A、B端，4AD9708内部功能框图5AD9708时序

AD9708会在每个CLOCK输入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或IOUTB输出。在每个时钟周期DAC都会完成一次输出，因此时钟频率也就是DAC的采样频率，时钟频率最快为125MHz。6AD9708的数据输入与电压输出

AD9708内部没有集成DDS（DirectDigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器）的功能，但是可以通过控制AD9708的输入数据，使其模拟DDS的功能。例如使用AD9708输出一个正弦波模拟电压信号，那么只需要将AD9708的输入数据按照正弦波的波形变化即可。7电路原理图

FPGA高级开发系统上FPGA芯片与AD9708的8位输入数据DB7～DB0和时钟CLK连接，由FPGA输出的8位数字信号经高速DAC芯片转换后产生模拟信号，经幅度调节后，最终的输出模拟信号范围在-5V～5V（10Vpp）。8D/A电路原理图9PCT通信协议

本章实验的通信过程涉及到一种名为PCT的通信协议，在PCT通信协议中，主机（PC端）和从机（FPGA）之间的通信过程如下：10PCT协议格式11命令包和数据包12生成波形的命令包，DAT1的定义为0x00-正弦波，0x01-三角波，0x02-方波波形数据包PCT协议的应用13内部电路图

DAC实验内部电路图如图所示，u_dac模块用于处理主机发送给从机的命令，并输出DAC时钟以及8位DAC数据，u_adc模块的作用则用来接收8位ADC信号，并输出ADC时钟以及将数据发送到主机进行处理。14u_dac电路图

u_dac模块分为u_uart_rec、u_uart_fifo、u_unpack、u_clk_gen_125hz和u_wave_generator模块，其中，uart_rec模块的作用是处理主机发送的命令，u_unpack模块则对得到的命令包进行解包操作，u_clk_gen_125hz模块产生一个周期为125hz的时钟，u_wave_generator模块则用于产生和输出波形数据信号。15u_wave_generator时序图

da_clk_i是周期为125hz的时钟输入，也是系统的DAC时钟输出，da_data_o在da_clk_i的每个上升沿进行一次波形数据输出的变化，s_sel_wave_i为波形类型，其中00为正弦波，01为三角波，10为方波。16实验步骤ExperimentalProcedure“14.217实验步骤18步骤1：复制工程文件夹并添加Verilog文件步骤2：完善wave_generator.v文件步骤3：完善dac.v文件步骤4：完善dac_to_adc.v文件步骤5：仿真测试步骤6：板级验证本章任务Tasksinthischapter“14.319本章任务20

在本实验的基础上增加一个DAC输出波形处理模块，分别检测到3个独立按键KEY1、KEY2、KEY3，按下KEY1时，输出波形幅值按“原幅值→1/2幅值→1/4幅值→原幅值”的顺序每按一次进行一次切换；按下KEY2时，输出波形按“正弦波→三角波→方波→正弦波”的顺序每按一次进行一次切换；按下KEY3时，输出波形恢复初始状态，即“正弦波、原幅值”。本章习题Exerci