電子技術(shù)發(fā)展的數(shù)字化進(jìn)程中，A/D轉(zhuǎn)換器性能起到了關(guān)鍵的作用，使用硬件描述語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字電路方便快捷，FPGA的時(shí)鐘頻率可高達(dá)300MHz以上，A/D轉(zhuǎn)換控制邏輯簡(jiǎn)單，故可用FPGA器件進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。除了一些專用引腳外，F(xiàn)PGA芯片上幾乎所有引腳均可供用戶使用，這使得FPGA信號(hào)處理方案具有非常高性能I/O帶寬，大量的I/O引腳和存儲(chǔ)器讓系統(tǒng)擁有出色的并行處理能力，完成A/D轉(zhuǎn)換等功能。

　　1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用FPGA芯片XC3S250ETQG144來(lái)對(duì)TLC549進(jìn)行采樣控制，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　1.1、Spartan-3E型FPGA

　　XC3S250ETQG144處理器是FPGA的Xilinx公司下Spartan-3E系列的一款中高端配置的低成本處理器，其具體參數(shù)如下圖所示：

　　圖1芯片參數(shù)

　　其單位邏輯單元的成本達(dá)到更低的水平，適用于對(duì)邏輯單元需求多，對(duì)I/O需求少的設(shè)計(jì)，端口電壓為3.3V、2.5V、1.2V，驅(qū)動(dòng)電流最高16mA，支持DDR存儲(chǔ)接口，具有片上匹配終端的增強(qiáng)型差分信號(hào)［3］，其與TLC549的連接管腳為10、11、15.

　　1.2、TLC549芯片介紹

美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TLC549，是低價(jià)位、高性能8位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片，它以8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOSA/D轉(zhuǎn)換器，能通過(guò)3態(tài)數(shù)據(jù)輸出和模擬輸入與微處理器或其他外圍設(shè)備串行接口，僅用輸入/輸出時(shí)鐘（I/OCLOCK）和芯片選擇（CS）輸入作為數(shù)據(jù)控制，是低成本的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)。具備4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟硬件控制電路，最長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間是17us，TLC549可以達(dá)到最快45000次/S的速率，總失調(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW.差分參考電壓高阻輸入的方式，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+—VREF-≥1V，TLC549適用于較小信號(hào)的采樣工作。

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　　TLC549均有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘與I/OCLOCK是獨(dú)立工作的，無(wú)需特殊的速度或相位匹配，下圖是它的工作時(shí)序圖：

　　圖2TLC549工作時(shí)序圖

轉(zhuǎn)換過(guò)程需要36個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大為17us，它開(kāi)始于CS變?yōu)榈碗娖街驣/OCLOCK的第8個(gè)下降沿。在CS變?yōu)榈碗娖街螅罡哂行唬ˋ7）自動(dòng)被放置在DATAOUT總線上。其余的7位（A6-A0）在前7個(gè)I/OCLOCK下降沿由時(shí)鐘同步輸出。B7-B0以同樣的方式跟在其后。

　　1.3、設(shè)計(jì)原理

　　TLC549的控制信號(hào)相對(duì)較少，用FPGA芯片XC3S250ETQG144對(duì)TLC549進(jìn)行采樣控制及A/D轉(zhuǎn)換，控制器設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

　　圖3 ?控制器設(shè)計(jì)原理框圖

　　通過(guò)3態(tài)數(shù)據(jù)輸出和模擬輸入與外圍設(shè)備串行接口，通過(guò)CLK和片選CS進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，模擬電壓值通過(guò)信號(hào)預(yù)處理端和濾波設(shè)計(jì)等進(jìn)入到TLC549，通過(guò)FPGA的控制等功能，實(shí)現(xiàn)硬件功能上電壓值的8位數(shù)碼管顯示。TLC549的硬件連接如圖4所示。

　　圖4 ?TLC549與FPGA硬件連接圖

　　1腳為基準(zhǔn)電壓輸入，可以采用LM317進(jìn)行穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，為A/D轉(zhuǎn)換提供精確的時(shí)鐘基準(zhǔn)源，1腳接2.5V，2腳接電位器，根據(jù)模擬電壓的輸入值，調(diào)整模擬電壓輸入，以此改變數(shù)據(jù)輸出顯示，3，4腳接地。通過(guò)圖3可以看到，芯片的CLK、CS、DATEOUT三條口線與FPGA主控芯片進(jìn)行串行接口，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的整個(gè)過(guò)程，其中8腳接+5V直流為芯片供電。

　　2、模塊設(shè)計(jì)與仿真

　　利用VerilogHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的TLC549轉(zhuǎn)換電路控制器的關(guān)鍵在于如何將TLC549的工作時(shí)序抽象成狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，從而由狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　狀態(tài)機(jī)是由寄存器和組合邏輯構(gòu)成的硬件時(shí)序電路，其狀態(tài)只能在同一時(shí)鐘跳變的情況下才能從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一個(gè)狀態(tài)。它的步驟一般包括：邏輯抽象，得出狀態(tài)裝換圖;狀態(tài)化簡(jiǎn);狀態(tài)分配;選定觸發(fā)器的類型并求出狀態(tài)方程、驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程，按照方程得出邏輯圖。參照TLC549的工作時(shí)序圖，可得到圖5的TLC549的轉(zhuǎn)換電路控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，狀態(tài)機(jī)的每次跳變不但取決于各個(gè)輸入值，還跟當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。

　　圖5 ?TLC549轉(zhuǎn)換電路控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　如圖所示，start狀態(tài)表示開(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，之后系統(tǒng)初始化，其中idle為空閑狀態(tài)、adc_ready為A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備狀態(tài)、adc_receive為A/D數(shù)據(jù)的接收狀態(tài)、adc_conversion為A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行狀態(tài)，adc_data_load為數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。系統(tǒng)初始化后，由片選端控制，進(jìn)入空閑狀態(tài)，使能端置1，進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備狀態(tài)，CS信號(hào)拉低進(jìn)入到數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，隨著數(shù)據(jù)讀取完畢，A/D轉(zhuǎn)換繼續(xù)進(jìn)行直至最后數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束，這就是整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的流程。由此，可以著手于TLC549模塊的A/D轉(zhuǎn)換代碼編寫(xiě)階段了。

　　設(shè)計(jì)輸入測(cè)試的為A/D轉(zhuǎn)換程序模塊，clock為系統(tǒng)時(shí)鐘，復(fù)位reset為高電平有效，enable為轉(zhuǎn)換使能，TLC549為串行數(shù)據(jù)輸入，clk為I/O時(shí)鐘，CS為片選控制端，data_out為轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)信號(hào)同步輸入，數(shù)據(jù)輸出鎖存。圖6為頂層模塊圖。

　　圖6 ?TLC549頂層模塊圖

　　在完成verilogHDL代碼的輸入，程序調(diào)試后，經(jīng)過(guò)分析、綜合，最后排除錯(cuò)誤，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨后再進(jìn)行波形仿真，在工程管理區(qū)將sourcesfor設(shè)置為simulation后，雙擊IsimSimulation下的SimulateBehavioralModel，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用Isim仿真功能，仿真波形圖如圖7所示，通過(guò)與圖2的TLC549芯片的工作時(shí)序圖的相比較，發(fā)現(xiàn)該仿真圖達(dá)到了實(shí)際要求的效果。

　　圖7 ?仿真波形圖

　　從圖7的仿真波形可以看出，最上端為時(shí)鐘周期，初始化后，片選端cs_n轉(zhuǎn)換狀態(tài)data_ready為0表示轉(zhuǎn)換并未開(kāi)始，5ns片選端后置1，使能端也為1，進(jìn)入轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備狀態(tài)，和系統(tǒng)時(shí)鐘保持一致，轉(zhuǎn)換開(kāi)始，隨后A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，轉(zhuǎn)換繼續(xù)進(jìn)行直至轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。

　　3、結(jié)語(yǔ)

　　用VerilogHDL語(yǔ)言和Xilinx公司的FPGA芯片XC3S250ETQG144，設(shè)計(jì)了TLC549的采樣實(shí)例，該FPGA芯片通過(guò)并行接口的方式與計(jì)算機(jī)連接，體現(xiàn)了FPGA的高速度和VerilogHDL語(yǔ)言并行執(zhí)行程序的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換速度慢的弊端，為具體的硬件設(shè)計(jì)提供了參考。