大佬講解測控系統(tǒng)(七)，在測控系統(tǒng)中實現(xiàn)D/A轉換

測控系統(tǒng)是諸多設備不可缺少的組件之一，搭載測控系統(tǒng)的設備通常具備較高的安全性。往期文章中，小編對溫度測控系統(tǒng)、風力測控系統(tǒng)等均有所介紹。本文中，小編將闡述如何在測控系統(tǒng)中采用IP核實現(xiàn)D/A轉換。如果你對測控系統(tǒng)具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、前言

采用數(shù)字化技術、在測控系統(tǒng)中用IP核實現(xiàn)D/A轉換，并且在1片可編程邏輯器件中實現(xiàn)。它不受溫度的影響，既可保持高分辨率，又可降低對電路精度和穩(wěn)定度的要求，并減少元件的數(shù)量。

在各類電子系統(tǒng)中，數(shù)字電路所占比重越來越大。這主要是因為數(shù)字電路相對于模擬電路有一些突出的優(yōu)點，例如：

· 數(shù)字電路中的有源器件工作在飽和區(qū)與截止區(qū)，工作狀態(tài)穩(wěn)定;

· 數(shù)字電路處理的是二值信號，易于存儲和再生;

· 數(shù)字電路是由大量相同的基本單元，如門、觸發(fā)器等所組成，易于大規(guī)模集成，易于自動化設計工具的應用等。

由于數(shù)字電路的以上特點，再加上數(shù)字計算機和數(shù)字信號處理技術的迅速發(fā)展，使得數(shù)字電路從集成規(guī)模、應用范圍及設計自動化程度等方面大大超過了模擬電路，越來越多的由模擬電路實現(xiàn)的功能轉由數(shù)字電路實現(xiàn)，進入了電子系統(tǒng)數(shù)字化的時代。

在測控系統(tǒng)采用數(shù)字化技術，將原來由模擬電路實現(xiàn)的D/A由數(shù)字電路實現(xiàn)。

二、IP核介紹

IP(知識產(chǎn)權)核將一些在數(shù)字電路中常用，但比較復雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設計成可修改參數(shù)的模塊。IP核的重用是設計人員贏得迅速上市時間的主要策略。隨著CPLD/FPGA的規(guī)模越來越大，設計越來越復雜(IC的復雜度以每年55%的速率遞增，而設計能力每年僅提高21%)，設計者的主要任務是在規(guī)定的時間周期內(nèi)完成復雜的設計。調(diào)用IP核能避免重復勞動，大大減輕工程師的負擔，因此使用IP核是一個發(fā)展趨勢。

IP核包括硬IP與軟IP?？膳渲肐P是參數(shù)化后的可重定目標IP，其優(yōu)點是可以對功能加以裁剪，以符合特定的應用。這些參數(shù)包括總線寬度、存儲器容量、使能或禁止功能塊。

硬IP最大的優(yōu)點是確保性能，如速度、功耗等。然而，硬IP難以轉移到新工藝或集成到新結構中，是不可重配置的。

軟IP是以綜合形式交付的，因而必須在目標工藝中實現(xiàn)，并由系統(tǒng)設計者驗證。其優(yōu)點是源代碼靈活，可重定目標于多種制作工藝，在新功能級中重新配置。

不過目前大多數(shù)庫是收費的，但也可以從網(wǎng)上下載一些免費的IP核。

三、用IP核實現(xiàn)的D/A轉換器的功能及特點

數(shù)字到模擬轉換器(DACs)將一個二進制數(shù)轉換為與之對應的電壓值，目前常用的D/A轉換器都是由電阻或電容加權網(wǎng)絡、受碼元控制的開關和基準電壓或電流源組成。當D/A轉換器需要轉換的信號每次取樣字長很長時，對這些電路的精度要求很高，并且還必須在整個溫度范圍和整個使用壽命期間內(nèi)保持電路參數(shù)的穩(wěn)定。例如，一個16位的D/A轉換器，其MSB的精度必須在1/2 16以內(nèi)，這是很困難的。所以，需尋求一種中保持高分辨率又可降低對電路精度和穩(wěn)定度要求的方法。

可綜合的Delta-Sigma DAC(術語Delta-Sigma分別指算術差與和，即Δ-∑DAC)，是Xilinx公司提供的免費IP核，可從網(wǎng)上下載得到。

Delta-Sigma DAC使用數(shù)字技術，因而它不溫度的影響，并且能在一片可編程邏輯器件中實現(xiàn)。避免在D/A轉換器中使用匹配電阻，不僅能更便宜，而且，其轉換是線性的。Delta-Sigma DAC實際上是高速單個位的DAC，用數(shù)字反饋技術，在輸出端產(chǎn)生一串脈沖。脈沖串中信號為高電平的時間部分與二進制輸入成比例，當這個脈沖串通過一個模擬低通濾波器后就得到一個模擬輸出信號。

圖1是一個典型的可編程邏輯器件實現(xiàn)的DAC的頂層電路圖，輸入信號有復位信號、時鐘信號以及二進制數(shù)據(jù)總線。輸出DACoutDrvr驅(qū)動一個外部的低通濾波器Vout能從0V～Vcco。這里Vcco是FPGA I/O塊的供電電壓。輸入/輸出詳細說明如表1所列。

表1 輸入輸出描述表

DAC的二進制輸入是一個無符號數(shù)?！?”代表最低電壓，輸出的模擬電壓也只有正的?！?”輸入產(chǎn)生0V輸出，輸入端全“1”，則輸出近似達到Vcco。

圖2是Delta-Sigma DAC的原理框圖，二進制輸入的位寬是可變的。為簡單起見，電路原理圖描述了一個8位二進制輸入的DAC。

在這個器件中，二進制加法器用來產(chǎn)生和，也用來產(chǎn)生差。盡管Delta Adder的輸入是無符號數(shù)，兩個加法器的輸出卻都是有符號數(shù)。Delta Adder計算DAC輸入和當前DAC輸出的差，并用一個二進制數(shù)表示。因為DAC的輸出是一個單個的位，因此它不是1就是0。如圖2所示，當輸入加上由Sigma Latch的輸出的兩個拷貝與0構成的10位數(shù)，就產(chǎn)生差值，這也補償了DACIN是無符號數(shù)的事實。Sigma Adder將它原來的輸出(保存在Sigma Latch中)與當前的Delta Adder的輸出相加。

圖1中輸出電壓與輸入電壓的關系為

VOUT=(DACIN/(2MSBI+1))&TImes;VCCO

式中單位為V。

例如，對于一個8位DAC(MSBI=7),最后的輸出是這樣：DACIN輸入是0，則輸出也是0;DACIN輸入是十六進制數(shù)FF時，輸出值為最大(255/256)&TImes;Vcco。

阻容低通濾波器適合多數(shù)應用需要，一個簡單的阻容低通濾波器就能工作得很好。

Vs的定義是：DAC輸入增加或減少時，在Vout端產(chǎn)生變化的絕對值。對一個8位DAC，Vs等于(1/256)&TImes;Vcco。

Vout能夠產(chǎn)生在0V～Vcco之間可變的電壓，具體的值由DACIN的位寬和輸入的數(shù)值決定。

Delta-Sigma DAC適合需要相對高精度的低頻應用。在這種應用中，電壓不會很快地變化，因此，RC的時間常數(shù)可以很大，以減小噪聲。

這種DAC最廣泛的應用就是產(chǎn)生通常直流電壓。這包括電壓控制振蕩器、電壓控制運算放大器、I/O參數(shù)電壓、可編程電壓源、波形發(fā)生器(正弦、三角等)、A/D轉換中的參考電壓等。

Delta-Sigma DAC是一個例子，說明高速可編程邏輯器件能用于混合信號系統(tǒng)，以減少元件的數(shù)量?？删幊踢壿嬈骷乃俣群兔芏仁顾鼈兂蔀槟M信號產(chǎn)生和處理方面理想的元件。

四、用VHDL語言編寫的程序

library ieee;

use ieeestd_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

enTIty dac_ds is

port(reset :in std_logic;

clk :in std_logic;

din :in std_logic_vector(7 downto 0);--Signed integer

dout :out std_logic;

);

end dac_ds;

architecture arch_dac_ds of dac_ds is

signal error :std_logic_vector(9 downto 0);--Error accumulator is 2 bits larger

constant zeros:std_logic_vector(7 downto 0):=(others=>'0');

begin

process(reset,clk,din)

variable val :std_logic_vector(9 downto 0);

begin

if reset='1'then

error<=(others=>'0');

dout<='0';

elsif clk'event and clk='1' then

--val:=din+error;din is sign extended to nbits+2

val:=(din(din'high)&din(din'high)&din)+error;

if val(val'high)='0'then

dout<='1';

error<=val+("11"& zeros);

else

dout<='0';

error<=val+("01"&zeros);

end if;

end if;

end process;

end arch_dac_ds;

五、芯片的選擇和配置

選擇MAX7000S系列可編程邏輯器件，編譯后由MAX+PLUS II軟件自動配置進EMP7032SLC44芯片，將生成的目標文件通過編程電纜對器件進行編程。

將該IP核實現(xiàn)的D/A轉換器用于新型智能電阻爐溫度控制儀中，因為調(diào)節(jié)爐溫的信號不要求變化很快，因此DAC的輸入二進制信號為緩變信號。對于這種低頻應用，可以將RC時間常數(shù)取得較大，以減小噪聲。這樣，可綜合的VHDL語言Delta-Sigma DAC模塊配置進EMP7032芯片后，達到了預期的效果。

以上便是此次小編帶來的“測控系統(tǒng)”相關內(nèi)容，通過本文，希望大家對如何在測控系統(tǒng)中實現(xiàn)D/A轉換具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關注我們網(wǎng)站哦，小編將于后期帶來更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!