用FPGA+DAC输出“心”形波

1.前言

  之前在做信号处理的时候整了一下活，用FPGA+DAC（数模转换器），输出了一个爱心形状的波形，今天整理资料的时候偶然发现了他，现在把他分享出来。当时将DAC的输出接在示波器上显示如下图所示：

2.原理

  爱心波形的函数表达式如下：
$$f(x)=x^{\frac{2}{3}}+\frac{1}{3}e(\pi -x^2{)}^{\frac{1}{2}}\sin (a\pi x)$$
  其中，e为自然对数，a为参数$\pi$为圆周率。首先在Matlab当中，画出上述函数的波形，不断调整a的值，使其更逼近我们想要的“爱心”形状。经过试验，作者觉得$a=10$时比较像，图像如下：

  然后将图像进行采样和量化，存为coe文件，导入到FPGA的ROM中：
  (1)打开IP Catalog：

  (2)IP核选择Block Memory Generator：

  (3)选择Single Port ROM，即单口ROM：

  (4)修改位宽和深度与coe文件保持一致，选择端口始终使能：

  (5)添加coe文件：

  IP配置核配置完成点击确定即可。仿真效果如下：

3.DAC

  当时我使用的是ADI的AD9122进行输出，下面讲一下AD9122的电路设计：

3.1电源

  单板的供电方式是通过一个DC-DC的电源接头输入一个5.0V的直流电压，经过一个大电容滤波后，再分别由相应的电源芯片降压，产生AVDD33(3.3V)、DVDD18((1.8V)、CVDD18(1.8V)、LOVDD(1.8V)，这些电源在经过滤波后给相应部件供电。

3.2低通滤波器

  为了保证输出波形更平滑，需要在输出端口接一个低通滤波器。这里采用五阶巴特沃斯低通滤波器，其转折频率为300MHz。

3.3 AD9122

3.4 通过串行端口SPI配置AD9122功能寄存器

3.4.1 SPI协议简述

  SPI端口由三个引脚组成:串行时钟引脚(SCLK)、串行数据输入/输出引脚(SDIO)和片选引脚(CSB)，这被称为三线模式。一些芯片把串行数据输出引脚(SDO)作为可选引脚，如果包含它，它仅用于从设备读取数据，一般地，为了减少引脚数量，大多数芯片都省略了这个引脚。

  （1）串行时钟(SCLK)：SCLK用于同步串行接口读取和写入。输入数据记录在该时钟的上升沿，输出数据传输记录在下降沿。

  （2）串行数据输入/输出(SDIO)：SDIO引脚是一个双重用途的引脚。这个引脚可作为是输入或输出，具体取决于发送的指令(读或写)在时序帧中的相对位置(指令或数据相位)。在写或读的第一阶段，这个引脚作为输入传递信息到内部状态机。如果确定该命令为读命令，状态机将此引脚(SDIO)更改为输出，然后将数据传回控制器。如果设备包含一个SDO引脚，并且配置寄存器使能，那么SDO将变为串行数据输出端口，而SDIO只作为串行数据输入端口。

  （3）片选信号（CSB）：CSB是一个有效的低电平控制，用于控制读写周期。当该线路为低电平时，将选择该设备，并处理SCLK和SDIO线路上的信息。如果此引脚为高电平，器件会忽略SCLK和SDIO线路上的任何信息。通过这种方式，多个设备可以连接到SPI端口。如果只连接了一个器件，可以选择将CSB线拉低，使该器件永久有效。

3.4.2 AD9122串行端口操作

  当CS引脚上的电平由逻辑高电平到逻辑低电平，串行端口时序将复位至指令周期的初始状态。从这个状态开始，接下来的前八个SCLK上升沿代表当前输入输出操作的指令位，后八个SCLK上升沿进行数据的传输。也就是说，控制器与AD9122的通信周期分为两个阶段：阶段1是指令周期(将指令字节写入器件)，与前八个SCLK上升沿一致，指令字节定义了即将到来的数据传输是读还是写，以及数据传输第一个字节的起始寄存器地址；通信周期的第2阶段是指令字节向串行端口控制器提供有关数据传输周期的信息，向寄存器写入数据，改变寄存器的值，来配置自己所需要的功能，或者对寄存器的值进行访问，以判断器件此刻的工作状态。

  指令字节的第7位，决定了在指令字节写入后是进行读数据传输还是写数据传输。逻辑1表示读操作，逻辑0表示写操作。A6至A0是指令字节的位6至位0，决定在通信周期的数据传输部分访问的寄存器的地址。

  ADI的数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）使用起来都差别不大，基本都可以使用SPI去读写其寄存器。我这里用的是AD9122，你搞明白了，只要会看datasheet也能很快上手。

代码

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