設計背景

模數轉換器，又稱A/D轉換器，簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉換為抗干擾性更強的數字信號的電子器件。一般的ADC是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由于數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換標準。比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小，而輸出的數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轉換芯片（TLC549）的采樣控制，實現一個簡易的數字電壓表。

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位的串行模數轉換器，A/D轉換時間最大為17us，最大轉換速率為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前一次的轉換數據（A）的最高位A7立即出現在數據線DATA OUT上，之后的數據在時鐘I/O CLOCK的下降沿改變，可在I/O CLOCK的上升沿讀取數據。轉換時，/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。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。其他參數可參考數據手冊。

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轉換后讀取的8位二進制數；Vref為參考電壓值，此處為2.5V。

設計架構

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

設計架構圖對應端口的功能描述表：

tlc549_Driver模塊采用序列機實現接口訪問時序，并且產生1MHz的ADC_Clk和采集到ADC_data；Control模塊，將采集到的ADC數據（ADC_data）換算成對應的電壓值，并經過二進制到BCD轉換以后傳送到數碼管；DIG_LED_DRIVE模塊負責數碼管的驅動，將傳遞過來的數據顯示出來。

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50MHz時鐘輸入
  input Rst_n;//全局復位
  input En;   //ADC轉換使能，高電平有效


  input ADC_Din;//ADC串行數據輸入


  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;//數據轉換完成標志
  output reg [7:0] Data;//ADC轉換以后的電壓值


  reg [10:0] Cnt1;   //系統時鐘計數器
  reg [7:0] data_tmp;//數據寄存器


  //系統時鐘上升沿計數
  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

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


  input Clk;//系統時鐘輸入
  input Rst_n;//系統復位
  input Get_Flag;//ADC采集數據完成標志
  input [7:0]ADC_data;//ADC采集數據輸入


  output reg [23:0]seg_data;//數碼管待顯示數據


  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)//新的數據采集完成，可以進行計算
      tenvalue<=(ADC_data*100*25)/256;
  end   


  //二進制轉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 


  //數碼管顯示數值
  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 

/*數碼管掃描模塊,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，并在代碼中根據相應注釋中的內容選擇cnt1_MAX = 24*/


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


  input Clk;       //系統時鐘輸入
  input Rst_n;     //系統復位
  input [23:0]Data;//待顯示數據


  output [7:0]Dig_Led_seg;//數碼管段選
  output [2:0]Dig_Led_sel;//數碼管位選


  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;  //分頻計數器
  reg clk_1K;      //掃描時鐘，1KHz
  reg [2:0]sel_r;    //數碼管位選
  reg [7:0]seg_r;    //數碼管段選
  reg [3:0]disp_data;  //單位顯示數據緩存


  //1KHz時鐘分頻計數器
  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 


  //根據不同的數碼管位選擇不同的待顯示數據
  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 


  //數據譯碼，將待顯示數據翻譯為符合數碼管顯示的編碼
  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

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

審核編輯：黃飛

?