設(shè)計背景：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，又稱a/d轉(zhuǎn)換器，簡稱adc，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)換為抗干擾性更強的數(shù)字信號的電子器件。一般的adc是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)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(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小，而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。本設(shè)計則通過對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（tlc549）的采樣控制，實現(xiàn)一個簡易的數(shù)字電壓表。

設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器，a/d轉(zhuǎn)換時間最大為17us，最大轉(zhuǎn)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(dāng)片選信號（/cs）拉低時，adc前一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（a）的最高位a7立即出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線data out上，之后的數(shù)據(jù)在時鐘i/o clock的下降沿改變，可在i/o clock的上升沿讀取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換時，/cs要置為高電平。在設(shè)計操作時，要注意tsu（cs）、tconv、twh（cs）和i/o clock的頻率這幾個參數(shù)。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(zhuǎn)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(shù)可參考數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換后讀取的8位二進(jìn)制數(shù)；vref為參考電壓值，此處為2.5v。

設(shè)計架構(gòu)圖:

本設(shè)計通過調(diào)節(jié)電位器rw1改變adc的模擬輸入值，數(shù)據(jù)采樣讀取后由數(shù)碼管顯示，最后用萬用表測量輸入電壓，并與讀取在數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)（單位為mv）作比較。設(shè)計的架構(gòu)圖如下：

設(shè)計架構(gòu)圖對應(yīng)端口的功能描述表：

tlc549_driver模塊采用序列機實現(xiàn)接口訪問時序，并且產(chǎn)生1mhz的adc_clk和采集到adc_data；control模塊，將采集到的adc數(shù)據(jù)（adc_data）換算成對應(yīng)的電壓值，并經(jīng)過二進(jìn)制到bcd轉(zhuǎn)換以后傳送到數(shù)碼管；dig_led_drive模塊負(fù)責(zé)數(shù)碼管的驅(qū)動，將傳遞過來的數(shù)據(jù)顯示出來。

設(shè)計代碼:

tlc549_driver模塊代碼：

0moduletlc549_driver(clk,rst_n,en,adc_din,adc_clk,adc_cs_n,data,get_flag);

1

2inputclk;//系統(tǒng)50mhz時鐘輸入

3inputrst_n;//全局復(fù)位

4inputen;//adc轉(zhuǎn)換使能，高電平有效

5

6inputadc_din;//adc串行數(shù)據(jù)輸入

7

8outputregadc_clk;//adc時鐘信號輸出

9outputregadc_cs_n;//adc片選信號輸出

10outputregget_flag;//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志

11outputreg[7:0]data;//adc轉(zhuǎn)換以后的電壓值

12

13reg[10:0]cnt1;//系統(tǒng)時鐘計數(shù)器

14reg[7:0]data_tmp;//數(shù)據(jù)寄存器

15

16//系統(tǒng)時鐘上升沿計數(shù)

17always@(posedgeclkornegedgerst_n)

18begin

19if(!rst_n)

20cnt1<=11'd0;

21elseif(!en)

22cnt1<=11'd0;

23elseif(cnt1==11'd1310)

24cnt1<=11'd0;

25else

26cnt1<=cnt1+1'b1;

27end

28

29always@(posedgeclkornegedgerst_n)

30begin

31if(!rst_n)

32begin

33adc_clk<=1'b0;

34adc_cs_n<=1'b1;

35data_tmp<=8'd0;

36data<=8'd0;

37end

38elseif(en)

39begin

40case(cnt1)

411:adc_cs_n<=1'b0;//1~71（tsu）

4271:beginadc_clk<=1;data_tmp[7]<=adc_din;end

4396:adc_clk<=0;

44121:beginadc_clk<=1;data_tmp[6]<=adc_din;end

45146:adc_clk<=0;

46171:beginadc_clk<=1;data_tmp[5]<=adc_din;end

47196:adc_clk<=0;

48221:beginadc_clk<=1;data_tmp[4]<=adc_din;end

49246:adc_clk<=0;

50271:beginadc_clk<=1;data_tmp[3]<=adc_din;end

51296:adc_clk<=0;

52321:beginadc_clk<=1;data_tmp[2]<=adc_din;end

53346:adc_clk<=0;

54371:beginadc_clk<=1;data_tmp[1]<=adc_din;end

55396:adc_clk<=0;

56421:beginadc_clk<=1;data_tmp[0]<=adc_din;end

57446:beginadc_clk<=0;adc_cs_n<=1'b1;get_flag<=1;end

58447:begindata<=data_tmp;get_flag<=0;end//447~1310(twh)

591310:;

60default:;

61endcase

62end

63else

64begin

65adc_cs_n<=1'b1;

66adc_clk<=1'b0;

67end

68end

69

70endmodule

control模塊代碼：

0modulecontrol(clk,rst_n,get_flag,adc_data,seg_data);

1

2inputclk;//系統(tǒng)時鐘輸入

3inputrst_n;//系統(tǒng)復(fù)位

4inputget_flag;//adc采集數(shù)據(jù)完成標(biāo)志

5input[7:0]adc_data;//adc采集數(shù)據(jù)輸入

6

7outputreg[23:0]seg_data;//數(shù)碼管待顯示數(shù)據(jù)

8

9reg[3:0]qianwei;//千位

10reg[3:0]baiwei;//百位

11reg[3:0]shiwei;//十位

12reg[3:0]gewei;//個位

13reg[15:0]tenvalue;//采樣的電壓值

14

15//采集電壓值計算

16always@(posedgeclkornegedgerst_n)

17begin

18if(!rst_n)

19tenvalue<=0;

20elseif(get_flag)//新的數(shù)據(jù)采集完成，可以進(jìn)行計算

21tenvalue<=(adc_data*100*25)/256;

22end

23

24//二進(jìn)制轉(zhuǎn)bcd值

25always@(posedgeclkornegedgerst_n)

26begin

27if(!rst_n)

28begin

29qianwei<=0;

30baiwei<=0;

31shiwei<=0;

32gewei<=0;

33end

34else

35begin

36qianwei<=tenvalue/1000;//2

37baiwei<=(tenvalue/100)%10;//5

38shiwei<=(tenvalue/10)%10;//0

39gewei<=tenvalue%10;//0

40end

41end

42

43//數(shù)碼管顯示數(shù)值

44always@(posedgeclkornegedgerst_n)

45begin

46if(!rst_n)

47seg_data<=0;

48else

49seg_data<={

50qianwei,//千位

51baiwei,//百位

52shiwei,//十位

53gewei,//個位

548'hff//空閑

55};

56end

57

58endmodule

dig_led_drive模塊代碼：

0/*數(shù)碼管掃描模塊,位選為外部74hc138譯碼器進(jìn)行控制*/

1/*仿真時請將本文件設(shè)置為頂層，并在代碼中根據(jù)相應(yīng)注釋中的內(nèi)容選擇cnt1_max = 24*/

2

3moduledig_led_drive(clk,rst_n,data,dig_led_seg,dig_led_sel);

4

5inputclk;//系統(tǒng)時鐘輸入

6inputrst_n;//系統(tǒng)復(fù)位

7input[23:0]data;//待顯示數(shù)據(jù)

8

9output[7:0]dig_led_seg;//數(shù)碼管段選

10output[2:0]dig_led_sel;//數(shù)碼管位選

11

12parametersystem_clk=50_000_000;

13

14// ?localparam cnt1_max = 24;/*仿真的時候使用，板級驗證時請注釋掉*/

15localparamcnt1_max=system_clk/1000/2-1;/*板級驗證的時候使用，仿真時請注釋掉*/

16

17reg[14:0]cnt1;//分頻計數(shù)器

18regclk_1k;//掃描時鐘，1khz

19reg[2:0]sel_r;//數(shù)碼管位選

20reg[7:0]seg_r;//數(shù)碼管段選

21reg[3:0]disp_data;//單位顯示數(shù)據(jù)緩存

22

23//1khz時鐘分頻計數(shù)器

24always@(posedgeclk)

25begin

26if(!rst_n)cnt1<=0;

27elseif(cnt1==cnt1_max)cnt1<=0;

28elsecnt1<=cnt1+1'b1;

29end

30

31//得到1khz時鐘

32always@(posedgeclkornegedgerst_n)

33begin

34if(!rst_n)

35clk_1k<=0;

36elseif(cnt1==cnt1_max)

37clk_1k<=~clk_1k;

38end

39

40//位選信號控制

41always@(posedgeclk_1kornegedgerst_n)

42begin

43if(!rst_n)

44sel_r<=3'd0;

45elseif(sel_r==3'd3)

46sel_r<=3'd0;

47else

48sel_r<=sel_r+1'b1;

49end

50

51//根據(jù)不同的數(shù)碼管位選擇不同的待顯示數(shù)據(jù)

52always@(*)

53begin

54if(!rst_n)

55disp_data=4'd0;

56else

57begin

58case(sel_r)

593'd0:disp_data=data[23:20];

603'd1:disp_data=data[19:16];

613'd2:disp_data=data[15:12];

623'd3:disp_data=data[11:8];

633'd4:disp_data=data[7:4];

643'd5:disp_data=data[3:0];

65default:disp_data=4'd0;

66endcase

67end

68end

69

70//數(shù)據(jù)譯碼，將待顯示數(shù)據(jù)翻譯為符合數(shù)碼管顯示的編碼

71always@(*)

72begin

73if(!rst_n)

74seg_r=8'hff;

75else

76begin

77case(disp_data)

784'd0:seg_r=8'hc0;

794'd1:seg_r=8'hf9;

804'd2:seg_r=8'ha4;

814'd3:seg_r=8'hb0;

824'd4:seg_r=8'h99;

834'd5:seg_r=8'h92;

844'd6:seg_r=8'h82;

854'd7:seg_r=8'hf8;

864'd8:seg_r=8'h80;

874'd9:seg_r=8'h90;

884'd10:seg_r=8'h88;

894'd11:seg_r=8'h83;

904'd12:seg_r=8'hc6;

914'd13:seg_r=8'ha1;

924'd14:seg_r=8'h86;

934'd15:seg_r=8'h8e;

94default:seg_r=8'hff;

95endcase

96end

97end

98

99assigndig_led_seg=seg_r;

100assigndig_led_sel=sel_r;

101

102endmodule

ad_tlc549頂層模塊代碼：

0modulead_tlc549(clk,rst_n,adc_din,adc_clk,adc_cs_n,dig_led_sel,dig_led_seg);

1

2inputclk;

3inputrst_n;

4inputadc_din;

5

6outputadc_clk;

7outputadc_cs_n;

8output[2:0]dig_led_sel;

9output[7:0]dig_led_seg;

10

11wireget_flag;

12wire[7:0]adc_data;

13wire[23:0]seg_data;

14

15tlc549_drivertlc549_driver(

16.clk(clk),

17.rst_n(rst_n),

18.en(1'b1),

19.adc_din(adc_din),

20.adc_clk(adc_clk),

21.adc_cs_n(adc_cs_n),

22.data(adc_data),

23.get_flag(get_flag)

24);

25

26controlcontrol(

27.clk(clk),

28.rst_n(rst_n),

29.get_flag(get_flag),

30.adc_data(adc_data),

31.seg_data(seg_data)

32);

33

34dig_led_drivedig_led_drive(

35.clk(clk),

36.rst_n(rst_n),

37.data(seg_data),

38.dig_led_seg(dig_led_seg),

39.dig_led_sel(dig_led_sel)

40);

41

42endmodule

ad_tlc549_tb頂層測試代碼如下：

0`timescale1ns/1ps

1

2modulead_tlc549_tb;

3

4regclk;

5regrst_n;

6regadc_din;

7

8wireadc_clk;

9wireadc_cs_n;

10wire[2:0]dig_led_sel;

11wire[7:0]dig_led_seg;

12

13initialbegin

14clk=1;

15rst_n=0;

16adc_din=0;

17#200.1

18rst_n=1;

19

20#1400adc_din=1;//aa

21#1000adc_din=0;

22#1000adc_din=1;

23#1000adc_din=0;

24#1000adc_din=1;

25#1000adc_din=0;

26#1000adc_din=1;

27#1000adc_din=0;

28

29#17000

30#1400adc_din=1;//98

31#1000adc_din=0;

32#1000adc_din=0;

33#1000adc_din=1;

34#1000adc_din=1;

35#1000adc_din=0;

36#1000adc_din=0;

37#1000adc_din=0;

38

39end

40

41ad_tlc549ad_tlc549_dut(

42.clk(clk),

43.rst_n(rst_n),

44.adc_din(adc_din),

45.adc_clk(adc_clk),

46.adc_cs_n(adc_cs_n),

47.dig_led_sel(dig_led_sel),

48.dig_led_seg(dig_led_seg)

49);

50

51always#10clk=~clk;

52

53endmodule

仿真圖:

設(shè)計仿真圖如下所示：

觀察仿真圖，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集，并正確顯示，下板驗證結(jié)果也達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期效果。