【紫光同创国产FPGA教程】【第二十章】AD9767双通道正弦波产生例程

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适用于板卡型号：

PGL22G/PGL12G

1. 实验简介

本实验练习使用AN9767模块，实验中使用的模块是采用ANALOG DEVICES公司的AD9767芯片，支持独立双通道、14位、125MSPS的数模转换。在教程中介绍了利用该模块与FPGA开发板相连输出双通道14位的正弦波，然后通过示波器查看把输出的正弦波的波形。

AN9767模块实物照片如下：

 

AN9767模块正面图AN9767模块背面图

 

AN9767双通道DA模块的详细参数:

• DA转换芯片：AD9767；

• 通道数：2通道；

• DA转换位数：14bit；

• DA更新速率：125 MSPS；

• 输出电压范围：-5V~+5V；

• 模块PCB层数：4层，独立的电源层和GND层；

• 模块接口：40针2.54mm间距排座，方向向下；

• 工作温度：-40°~85°模块使用芯片均满足工业级温度范围

• 输出接口：2路BNC模拟输出接口（用BNC线可以直接连接到示波器）；

2. 实验原理

2.1 AN9767模块原理框图

AN9767模块的原理设计框图如下：

 

 

2.2 AD9767芯片简介

AD9767是双端口、高速、双通道、14位CMOS DAC,芯片集成两个高品质TxDAC+®内核、一个基准电压源和数字接口电路,采用48引脚小型LQFP封装。器件提供出色的交流和直流性能，同时支持最高125 MSPS的更新速率。AD9767的功能框图如下：

 

 

2.3 电流电压转换及放大

AD9767的两路DA输出都为补码形式的电流输出IoutA和IoutB。当AD9767数字输入为满量程时（DAC的输入的14位数据都为高），IoutA输出满量程的电流输出20mA。IoutB输出的电流为0mA。具体的电流和DAC的数据的关系如下公式所示：

 

 

其中IoutFS=32 x Iref，在AN9767模块设计中, Iref的值由电阻R16的值决定，如果R16=19.2K，那Iref的值就是0.625mA。这样IoutFS的值就是20mA。

AD9767输出的电流通过第一级运放AD6045转换成-1V~+1V的电压。具体的转换电路如下图所示：

 

 

第一级运放转换后的-1V~+1V的电压通过第二级运放变换到更高幅度的电压信号，这个运放的幅度大小可以通过调整板上的可调电阻来改变。通过第二级运放，模拟信号的输出范围高达-5V~+5V。

 

 

下表为数字输入信号和各级运放输出后的电压对照表：

DAC数据输入值	AD9767电流输出	第一级运放输出	第二级运放输出
3fff(14位全高）	+20mA	-1V	+5V
0(14位全低）	-20mA	+1V	-5V
2000（中间值）	0mA	0V	0V

AD9767芯片的数字接口可以通过芯片的模式管脚(MODE)来配置成双端口模式(Dual)或者交叉(Interleaved)模式。在AN9767模块设计中，AD9767芯片是工作在双端口模式，双通道的DA数字输入接口是独立分开的。双端口模式(Dual)的数据时序图如下图所示：

 

 

给AD9767芯片的DA数据通过时钟CLK和写信号WRT的上升沿输入到芯片进行DA转换。

3. 程序设计

例程中提供了AN9767模块的DA测试程序，通过AN9767模块来实现正弦波信号的输出。

正弦波测试程序是通过读取FPGA内部的一个ROM中存储的正弦波数据，然后把正弦波的数据输出到AN9767模块进行数模的转换，从而得到正弦波的模拟信号。正弦波测试程序的示意图如下:

 

 

3.1 生成ROM初始化文件

程序中我们会用到一个ROM用于存储1024个14位的正弦波数据, 首先我们需要准备ROM的初始化文件。以下为生成正弦波ROM数据文件的方法：

在软件工具及驱动文件夹下找到工具，其图标如下所示：

 

 

1. 双击.exe打开工具，打开界面如下：

 

 

2. 可以根据需要自选波形，本例程中选择正弦波，数据长度1024，数据位宽14，其它默认：

 

 

3. 点击保存按钮，将生成的数据文件保存到工程目录文件下（注意保存的文件类型.dat）：

 

 

4. 保存后点击确定后关闭工具

 

 

将 .dat文件保存到生成的Rom IP核中即可，在字符显示实验教程中已做介绍，这里不再重复。

3.2 双通道正弦波发生程序

`timescale1ns/1ps////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////Two sine wave outputs -10V ~ +10V//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////module ad9767_test(input sys_clk,//  input clock  50Mhzoutput da1_clk,//AD9767 CH1 clockoutput da1_wrt,//AD9767 CH1 enableoutput[13:0] da1_data,//AD9767 CH1 data outputoutput da2_clk,//AD9767 CH2 clockoutput da2_wrt,//AD9767 CH2 enableoutput[13:0] da2_data      //AD9767 CH2 data output);reg[9:0] rom_addr;wire[13:0] rom_data;wire clk_125M;assign da1_clk=clk_125M;assign da1_wrt=clk_125M;assign da1_data=rom_data;assign da2_clk=clk_125M;assign da2_wrt=clk_125M;assign da2_data=rom_data;//DA output sin waveformalways@(negedge clk_125M)begin
 rom_addr <= rom_addr +1'b1;//The output sine wave frequency is 122Khz// rom_addr <= rom_addr + 4 ;              //The output sine wave frequency is 488Khz// rom_addr <= rom_addr + 128 ;            //The output sine wave frequency is 15.6Mhz                         
endROM ROM_inst(.clka(clk_125M),// input clka.addra(rom_addr),// input [8 : 0] addra.douta(rom_data)// output [7 : 0] douta);PLL PLL_inst(// Clock in ports.clk_in1    (sys_clk        ),// IN// Clock out ports.clk_out1   (),// OUT.clk_out2   (clk_125M       ),// OUT// Status and control signals.reset      (1'b0),// IN.locked     ());endmodule

程序中通过一个PLL IP来产生125M的DA输出时钟，然后就是循环读取存放在ROM中的1024个数据，并同时输出到通道1和通道2的DA数据线上。程序中可以通过地址的加1，加4, 或者加128来选择输出不同的频率的正弦波。

4. 实验现象

1）将AN9767模块插入开发板扩展口J8，注意1脚对齐，不要插错、插偏，不能带电操作。

2）用我们提供的BNC线连接AN9767的输出到示波器的输入如下图，然后开发板上电,下载程序就可以从示波器上观察从DA模块输出的模拟信号的波形了。

 

AN9767与开发板连接图

 

3）示波器上看到的正弦波如下：

 

 

4）我们可以把程序中的地址修改成+4的方式，如下修改，这样一个正弦波的输出的点为256个，输出的正弦波的频率会提高4倍：

 

 

程序修改后，重新下载FPGA后，正弦波的频率变高，示波器显示的波形如下：

 

 

用户也可以通过调节AN9767模块上的可调电阻来改变2个通道输出波形的幅度。