小梅哥FPGA数字逻辑设计教程——基于线性序列机的TLC5620型DAC驱动设计

基于线性序列机的TLC5620型DAC驱动设计

目录

TLC5620型DAC芯片概述：    2

TLC5620型DAC芯片引脚说明：    2

TLC5620型DAC芯片详细介绍：    3

TLC 5620型DAC接口时序：    4

TLC5620串行数字接口的关键时序参数：    5

芯航线ADDA模块TLC5620电路介绍：    6

线性序列机设计思想与TLC5620接口时序设计：    7

视频教程中的工程源码：    10

视频教程中的测试文件源码：    13

板级验证方法：    15

顶层例化模块源码：    15

附录1：ADDA V1.1模块使用说明    17

附录2：ADDA V1.1模块原理图    19

TLC5620型DAC芯片概述：

  • TLC5620C是一个具有4个独立8位电压输出型DAC的数模转换器
  • 单电源5V供电
  • 采用串行接口时序
  • 具备4个高阻抗参考电压输入端口（对应四个DAC输出通道）    
  • 可编程的电压倍增模式

TLC5620是一个内部具备4个独立 8位电压输出型数字——模拟转换器，每个DAC转换器都拥有一个带缓冲（高输入阻抗）的参考电压输入端口。每个DAC可以输出一倍或者两倍的参考电压与GND之间的电压值。

TLC5620使用CMOS电平兼容的三线制串行总线与各种流行的处理器进行连接，TLC5620接收控制器发送过来的11位的命令字，这11位的控制字被分为3个部分，包括8位的数据位，2位的DAC选择位，1位的电压倍增控制位。每个DAC的寄存器都采用双缓冲结构，这样，可以实现首先通过数据总线给所有的DAC传输需要更新的数据，然后通过控制信号LDAC将所有DAC的电压同步更新到输出上。

TLC5620芯片内部框图

TLC5620型DAC芯片引脚说明：

引脚名

编号

IO

功能描述

CLK

7

I

串行接口时钟，每个时钟的下降沿，输入数字总线上的数据被移入内部的接口寄存器中

DACA

12

O

DAC A模拟输出端口

DACB

11

O

DAC B模拟输出端口

DACC

10

O

DAC C模拟输出端口

DACD

9

O

DAC D模拟输出端口

DATA

6

I

串行接口的数字数据输入线，发送给DAC的数据是通过串行的方式传入DAC的寄存器的，每个数据位都在时钟的下降沿被移入内部寄存器中

GND

1

I

GND

LDAC

13

I

加载DAC（更新DAC待输出数据），当该信号为高电平时，串行总线上传入的数据不会更新到DAC上去，只有当LDAC的电平由高电平变为低电平时，数据才会更新到DAC上去

LOAD

8

I

串行数据加载控制，当LDAC为低电平时，LOAD的下降沿将带输出数据锁存到输出锁存器并立即产生输出电压。

REFA

2

I

DAC A的参考电压，该电压决定了输出电压的范围，输出电压为0~VREFA或者0~2*VREFA（2VREFA <= VDD）

REFB

3

I

DAC B的参考电压，该电压决定了输出电压的范围，输出电压为0~VREFB或者0~2*VREFB（2VREFB <= VDD）

REFC

4

I

DAC C的参考电压，该电压决定了输出电压的范围，输出电压为0~VREFC或者0~2*VREFC（2VREFC <= VDD）

REFD

5

I

DAC D的参考电压，该电压决定了输出电压的范围，输出电压为0~VREFD或者0~2*VREFD（2VREFD <= VDD）

VDD

14

I

正电源输入

TLC5620型DAC芯片详细介绍：

TLC5620是由四个电阻串式DAC组成的，每个DAC的核心是一个拥有256个节点（抽头）的电阻，对应了256中不同的组合，如下表所示，每个电阻串的一段连接到GND，另一端来自参考输入缓存的输出。

每个DAC的输出都接有一个可配置增益的输出放大器，该放大器的增益可以配置为1或者2。当芯片上电时，DAC的值全部被复位到0,。每个DAC通道的输出可由下列公式计算得出：

 

Vo（DAC A|B|C|D） = REF * CODE/256 *（1 + RNG bit value）

 

其中，Vo为输出电压值，REF为DAC的输出参考电压，CODE为输出电压值的数字量化量，如255表示按照参考电压的满幅输出（关闭电压倍增模式），0则0V输出，RNG bit value表示电压倍增模式，为0则关闭输出电压倍增模式，为1则打开输出电压倍增模式。

当串行控制字中的数据部分为0~255，RNG bit为0或者1时，输出电压与数字量化值的关系如下表所示：

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

输出电压

0

0

0

0

0

0

0

0

GND

0

0

0

0

0

0

0

1

1/256 * REF(1+RNG)

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

０

１

１

１

１

１

１

１

127/256 * REF(1+RNG)

１

０

０

０

０

０

０

０

128/256 * REF(1+RNG)

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

．

１

１

１

１

１

１

１

１

255/256 * REF(1+RNG)

TLC 5620型DAC接口时序：

控制器对TLC5620的单个DAC设置包括两个主要操作

  1. 将数字量化值以及控制位发送到TLC5620中对应的寄存器中
  2. 控制DAC将寄存器中接收到的数据值更新到DAC输出上

对于数据的传输，有连续传输（11个连续的时钟周期传输11位的控制字）和2个8时钟周期传输方式（使用两次8时钟周期的传输来实现11位数据的传输）。

对于数据的更新，则使用LOAD和LDAC配合以实现。

当LOAD为高电平时，在每个CLK的下降沿，数据被移入DAC的移位寄存器中。当所有的数据位被移入完成后，LOAD被拉低，以将数据从串行输入移位寄存器中转入选中的DAC中，如上图所示：

当LDAC为低电平时，选中的DAC通道的输出电压在LOAD变为低电平时更新。

当LDAC在串行数据传输过程中为高电平时，新的数据值被存在器件中，该值可以在稍后将LDAC拉低时传入DAC的输出，如下图2所示。串行总线上传输数据时，高位在前，低位在后。

使用两个8时钟周期的传输数据（主要针对8位定长的SPI控制器）的时序图3和图4所示：

在传输时序中，标为A0和A1的两位指定了需要设置输出的DAC，具体A0和A1值与对应被选择更新的DAC如下表所示：

A1

A0

被更新的DAC通道

0

0

DACA

0

1

DACB

1

0

DACC

1

1

DACD

TLC5620串行数字接口的关键时序参数：

针对TLC5620的数字接口，其操作时序如下表所示。

其中，从tSU(DATA-CLK）、开始一直到CLK frequency都是我们在设计接口时序时，需要重点关注的参数。我们设计的控制时序必须要严格满足表中各个时序参数，否则会导致数据传输或转换失败。

芯航线ADDA模块TLC5620电路介绍：

芯航线FPGA学习套件中，提供了一个多通道串行ADDA模块。其中，DA部分所使用的芯片就是上文介绍的TLC5620，TLC5620部分电路图如下图所示：

为了给DAC的参考输入提供稳定的参考电压，这里使用专用精密参考源芯片TL431搭建了一个参考源电路，该电路如下图所示：

根据5V的输入电压和输出电压/电流设计电路，按照上图设置电路即可，其中R2：R3=1：2.7得到的输出最接近3.3V（例如R1取值为1k，R2取值为2.7k）

Vout = (R2+R3)*2.5/R3 = 3.7*2.5/2.7 = 3.42V

为了保证TL431 1mA的工作电流，R1需要满足

1mA< (Vcc-Vout)/R1< 500mA

这里设置R1为150欧姆，则(Vcc-Vout)/R1 = 10.5mA，满足TL431工作要求。

因此，当确定一个输出电压时，就可以得到对应的RNG和CODE了，如下式所示：

 

然后，在我们控制DAC的输出时，只需根据所需输出的电压计算得到CODE和RNG，然后将该值通过串行接口传入TLC5620，再发出一个更新控制信号（LOAD + LDAC），就能实现控制TLC5620输出想要的电压了。

线性序列机设计思想与TLC5620接口时序设计：

    这里以使用LOAD信号控制DAC更新的时序图来分析TLC5620的数字接口时序：

从图中我们可以看到，该接口的时序是一个很有规律的序列，CLK信号什么时候该由低变高，什么时候由高变低。DATA信号什么时候该传输哪一位数据，LOAD信号什么时候拉低，什么时候拉高，都是可以根据时序参数唯一确定下来的。

我们可以将该数据波形放到以时间为横轴的一个二维坐标系中，纵轴就是每个信号对应的状态：

因此我们只需要在逻辑中使用一个计数器来计数，然后每个计数值时就相当于在t轴上对应了一个相应的时间点，那么在这个时间点上，各个信号需要进行什么操作，直接赋值即可。

针对TLC5620的接口时序，在FPGA中，我们以时钟周期为20ns进行设计，由于TLC5620的数字接口工作时钟最高位1MHz，周期为1000ns，因此时钟的翻转时间最小为500ns，为了给设计留有余量，因此本设计使用1200ns作为时钟周期，即时钟信号每600ns翻转一次。从而可以通过每个信号变化时的时间得到对应计数器的值：

每个时间点对应信号操作详表：

时间

计数器值

对应信号状态

00

00

CLK= 0；DATA = 0；LOAD = 1；LDAC = 0

200

10

DATA = A1；CLK= 1；

800

40

CLK= 0；

1400

70

DATA = A0；CLK= 1；

2000

100

CLK= 0；

2600

130

DATA = RNG；CLK= 1；

3200

160

CLK= 0；

3800

190

DATA = D7；CLK= 1；

4400

220

CLK= 0；

5000

250

DATA = D6；CLK= 1；

5600

280

CLK= 0；

6200

310

DATA = D5；CLK= 1；

6800

340

CLK= 0；

7400

370

DATA = D4；CLK= 1；

8000

400

CLK= 0；

8600

430

DATA = D3；CLK= 1；

9200

460

CLK= 0；

9800

490

DATA = D2；CLK= 1；

10400

520

CLK= 0；

11000

550

DATA = D1；CLK= 1；

11600

580

CLK= 0；

12200

610

DATA = D0；CLK= 1；

12800

640

CLK= 0；

13400

670

LOAD = 0；

16000

800

LOAD = 1；

每个时刻计数器操作：

Cnt

Cnt Operation

Cnt < 820

Cnt <= Cnt + 1'b1;

Cnt = 820

Cnt <= 0;

以上就是通过线性序列机设计接口时序的一个典型案例，可以看到，线性序列机可以大大简化我们的设计思路。线性序列机的设计思想就是使用一个计数器不断计数，由于每个计数值都会对应一个时间，那么当该时间符合我们需要操作信号的时刻时，就对该信号进行操作。这样，就能够轻松的设计出各种时序接口了。

有了这两张表，我们就可以进行TLC5620的接口逻辑的编写了。设计TLC5620接口逻辑的模块如下图所示：

其中，每个端口的作用如下所示：

端口名称

I/O

端口功能描述

Clk

I

为控制器的工作时钟，频率为50MHz，

Rst_n

I

控制器复位，低电平复位

CtrlWord[10：0]

I

控制器控制字，组成为{A1，A0，RNG，DATA[7:0]}

UpdateReq

I

更新DAC输出请求信号，在该信号的高电平时，控制器寄存CtrlWord上的数据并按照TLC5620的接口时序将数据发送出去。每次高电平持续一个时钟周期

UpdateDone

O

更新DAC完成标志，每次完成更新产生一个高电平脉冲，脉冲宽度为1个时钟周期

TLC5620_CLK

O

TLC5620的CLK接口

TLC5620_DATA

O

TLC5620的DATA接口

TLC5620_LOAD

O

TLC5620的LOAD接口

TLC5620_LDAC

O

TLC5620的LDAC接口

有了这些之后，我们就可以开始进行控制器的具体逻辑设计了。具体逻辑设计过程请参看小梅哥FPGA设计思想与验证方法视频第17课。

视频教程中的工程源码：

/*=================================================================

*

* LOGIC CORE: TLC5620_CTRL

* MODULE NAME: TLC5620_CTRL()

* COMPANY: 芯航线电子工作室

* http://xiaomeige.taobao.com

* author: 小梅哥

* author QQ Group：472607506

* REVISION HISTORY:

*

* Revision 1.0 01/01/2016 Description: Initial Release.

*

* FileType ：Testbench

*

* FUNCTIONAL DESCRIPTION:

*

=================================================================*/

//Vo（DAC A|B|C|D） = REF * CODE/256 *（1 + RNG bit value）

001 module TLC5620_CTRL(

002 Clk,

003 Rst_n,

004 UpdateReq,

005 CtrlWord,

006

007 UpdateDone,

008 TLC5620_CLK,

009 TLC5620_DATA,

010 TLC5620_LOAD,

011 TLC5620_LDAC

012 );

013

014

015 input Clk;

016 input Rst_n;

017 input UpdateReq; //更新输出电压请求

018 input [10:0]CtrlWord;//ADDR[1:0];RNG bit;CODE[7:0]

019

020 output reg UpdateDone; //更新输出电压完成标志信号

021 output reg TLC5620_CLK; //TLC5620接口时钟信号

022 output reg TLC5620_DATA; //TLC5620数据输入信号

023 output reg TLC5620_LOAD; //

024 output reg TLC5620_LDAC;

025

026 reg [9:0] Cnt; //线性序列机计数器

027

028 //线性序列机计数器计数进程

029 always@(posedge Clk or negedge Rst_n)

030 if(!Rst_n)

031 Cnt <= 10'd0;

032 else if(UpdateReq == 1 | (Cnt != 10'd0))begin

033 if(Cnt == 10'd820)

034 Cnt <= 10'd0;

035 else

036 Cnt <= Cnt + 10'd1;

037 end

038 else

039 Cnt <= 10'd0;

040

041

042 //线性序列机控制进程

043 always@(posedge Clk or negedge Rst_n)

044 if(!Rst_n)begin

045 TLC5620_CLK <= 1'b0;

046 TLC5620_DATA <= 1'b0;

047 TLC5620_LOAD <= 1'b0;

048 TLC5620_LDAC <= 1'b0;

049 UpdateDone <= 1'b0;

050 end

051 else begin

052 case(Cnt)

053 0:

054 begin

055 TLC5620_CLK <= 1'b0;

056 TLC5620_DATA <= 1'b0;

057 TLC5620_LOAD <= 1'b1;

058 TLC5620_LDAC <= 1'b0;

059 UpdateDone <= 1'b0;

060 end

061 10:

062 begin

063 TLC5620_CLK <= 1'b1;

064 TLC5620_DATA <= CtrlWord[10];

065 end

066 40: TLC5620_CLK <= 1'b0;

067

068 70:

069 begin

070 TLC5620_CLK <= 1'b1;

071 TLC5620_DATA <= CtrlWord[9];

072 end

073

074 100: TLC5620_CLK <= 1'b0;

075 130:

076 begin

077 TLC5620_CLK <= 1'b1;

078 TLC5620_DATA <= CtrlWord[8];

079 end

080 160: TLC5620_CLK <= 1'b0;

081 190:

082 begin

083 TLC5620_CLK <= 1'b1;

084 TLC5620_DATA <= CtrlWord[7];

085 end

086 220: TLC5620_CLK <= 1'b0;

087 250:

088 begin

089 TLC5620_CLK <= 1'b1;

090 TLC5620_DATA <= CtrlWord[6];

091 end

092 280: TLC5620_CLK <= 1'b0;

093 310:

094 begin

095 TLC5620_CLK <= 1'b1;

096 TLC5620_DATA <= CtrlWord[5];

097 end

098 340: TLC5620_CLK <= 1'b0;

099 370:

100 begin

101 TLC5620_CLK <= 1'b1;

102 TLC5620_DATA <= CtrlWord[4];

103 end

104 400: TLC5620_CLK <= 1'b0;

105 430:

106 begin

107 TLC5620_CLK <= 1'b1;

108 TLC5620_DATA <= CtrlWord[3];

109 end

110 460: TLC5620_CLK <= 1'b0;

111 490:

112 begin

113 TLC5620_CLK <= 1'b1;

114 TLC5620_DATA <= CtrlWord[2];

115 end

116 520: TLC5620_CLK <= 1'b0;

117 550:

118 begin

119 TLC5620_CLK <= 1'b1;

120 TLC5620_DATA <= CtrlWord[1];

121 end

122 580: TLC5620_CLK <= 1'b0;

123 610:

124 begin

125 TLC5620_CLK <= 1'b1;

126 TLC5620_DATA <= CtrlWord[0];

127 end

128 640: TLC5620_CLK <= 1'b0;

129 670:TLC5620_LOAD <= 1'b0;

130 800:TLC5620_LOAD <= 1'b1;

131 820:UpdateDone <= 1'b1;

132 default:;

133 endcase

134 end

135

136 endmodule

137

视频教程中的测试文件源码：

01 `timescale 1ns/1ns

02 `define clk_period 20

03 module TLC5620_CTRL_tb;

04

05 reg Clk;

06 reg Rst_n;

07 reg UpdateReq;

08 reg [10:0]CtrlWord;

09

10 wire UpdateDone;

11 wire TLC5620_CLK;

12 wire TLC5620_DATA;

13 wire TLC5620_LOAD;

14 wire TLC5620_LDAC;

15

16 TLC5620_CTRL TLC5620_CTRL0(

17 .Clk(Clk),

18 .Rst_n(Rst_n),

19 .UpdateReq(UpdateReq),

20 .CtrlWord(CtrlWord),

21

22 .UpdateDone(UpdateDone),

23 .TLC5620_CLK(TLC5620_CLK),

24 .TLC5620_DATA(TLC5620_DATA),

25 .TLC5620_LOAD(TLC5620_LOAD),

26 .TLC5620_LDAC(TLC5620_LDAC)

27 );

28

29 initial Clk = 1;

30 always #(`clk_period/2) Clk = ~Clk;

31

32 initial begin

33 Rst_n = 1'b0;

34 UpdateReq = 1'b0;

35 CtrlWord = 0;

36

37 #(`clk_period*100 + 1);

38 Rst_n = 1'b1;

39 #(`clk_period*20);

40 CtrlWord = {2'd0,1'b0,8'haa};

41 UpdateReq = 1'b1;

42 #(`clk_period);

43 UpdateReq = 1'b0;

44 @(posedge UpdateDone);

45 #(`clk_period*40);

46

47 CtrlWord = {2'd0,1'b0,8'h55};

48 UpdateReq = 1'b1;

49 #(`clk_period);

50 UpdateReq = 1'b0;

51 @(posedge UpdateDone);

52 #(`clk_period*20);

53 $stop;

54 end

55

56 endmodule

板级验证方法：

设计中使用了一个信号探针来通过电脑传递输出电压控制字给DAC控制逻辑，使用In system sources and probes editor工具，输入希望输出的电压值，则芯航线开发板上，FPGA控制TLC5620芯片输出对应的电压值

顶层例化模块源码：

01 module TCL5620_TOP(

02 Clk,

03 Rst_n,

04

05 TLC5620_CLK,

06 TLC5620_DATA,

07 TLC5620_LOAD,

08 TLC5620_LDAC

09 );

10

11 input Clk;

12 input Rst_n;

13

14 output TLC5620_CLK;

15 output TLC5620_DATA;

16 output TLC5620_LOAD;

17 output TLC5620_LDAC;

18

19 wire [10:0]CtrlWord;

20

21 CtrlWordSource CtrlWordSource(

22 .probe(),

23 .source(CtrlWord)

24 );

25

26 TLC5620_CTRL TLC5620_CTRL0(

27 .Clk(Clk),

28 .Rst_n(Rst_n),

29 .UpdateReq(1'b1),

30 .CtrlWord(CtrlWord),

31

32 .UpdateDone(),

33 .TLC5620_CLK(TLC5620_CLK),

34 .TLC5620_DATA(TLC5620_DATA),

35 .TLC5620_LOAD(TLC5620_LOAD),

36 .TLC5620_LDAC(TLC5620_LDAC)

37 );

38

39 endmodule

如果希望更加细致详细的学习本实验，请观看《小梅哥FPGA设计思想与验证方法视频教程》第17课。

如有更多问题，欢迎加入芯航线FPGA技术支持群：472607506

小梅哥

芯航线电子工作室

附录1：ADDA V1.1模块使用说明

本模块共有5个接插件：

P1为与FPGA开发板连接的数字接口信号和电源信号，使用时使用杜邦线与开发板的GPIO 0中相应引脚相连，具体连接位置，可以参照我们提供的示例连接方法；其每个引脚的功能如下图所示：

P2为VCC5V的连通短接点，如果使用P1上的供电引脚为模块供电，则需要将P2短接；

P3为GND的连通短接点，如果使用P1上的GND引脚为GND连接到开发板，则需要将P3短接；

P4为扩展供电引脚，由于芯航线核心板本身为高速数字电路，因此电源噪声相对较高，在一些需要精密测量的应用中，往往使用专用的独立供电电路为模块供电，因此可以直接将外部供电使用杜邦线接到P4上，其中P4靠近P2的针接VCC，P4靠近P3的针接GND，P3需要保持短接状态，P2则需要断开。

注意，无论何时，请不要短接P4，否则会烧毁开发板。

附录2：ADDA V1.1模块原理图

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