DDS与并行ADC、DAC

本文详细介绍了如何使用FPGA通过DDS生成不同频率的信号,经过DAC输出,并通过ADC采集,同时展示了Signal Tap在时域和Matlab在频域的信号观察。涉及到的模块包括PLL、DDS发生器、DAC接口和ADC接口的设计与实现,以及最终的信号分析与验证。

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总任务:

用DDS合成信号,经过DAC输出,用ADC采集信号。

使用Signal TAP在时域观察信号

使用 Matlab 在频域观察信号

 

操作过程:

 

一.生成分频和倍频锁相环

 

  1. 创建一个Megafunction。此在tools/MegaWizard Plug- In Manager,默认选第一项,点Next。

 

2)创建PLL。注意以下四点:

1.左侧选择元件类型: I/O选项下ALTPLL

2.右上方选择FPGA系列;

3.为生成的PLL选择语言,在AHDL,VHDL,Verilog中选择,(在此选择Verilog);

4.为元件命名,此处命名为“pll_DAC_ADC”,在地址栏最后把名字加上去即可,如下:“D:\FPGA\projects\fpga_sdr_lab_dds_dac_adc\lab_dds_dac_adc\project_q72\pll_DAC_ADC"

效果图如下:

 

(3)定义PLL。根据自己开发板的时钟信号填写输入,如我的输入时钟是50M,如下图:

 

接下来将下面的选择框全部取消勾选,如下图:

然后一路next… …

 

(4)直到进行到定义的关键环节。clock multiplication factor是倍频,clock division factor是分频,在这里选择不同的数值,就会输出不同的分频和倍频的数值。注意系数上限和频率上限,但如果配置不正确,系统会有提示,所以不必太担心。按照设计要求,我们需要一个80M和20M的时钟,配置如下图:

 

 

(5)finish 之后,在左侧工程和文件的目录下调出PLL的.v文件,生成symbol即可。

 

成过程还可参考新浪博客 《FPGA学习笔记之嵌入式锁相环模块ALTPLL的配置和调用》http://blog.sina.com.cn/s/blog_b351f3660102w2t7.html

 

二.DDS发生器

理论部分可适量参考《FPGA学习笔记之DDS》,便于理解。网址如下:https://www.cnblogs.com/zhouzheng/p/5793073.html

 

(1)DDS发生器的module代码如下:

// mc_dds

// multi-cycle dds module

module mc_dds(

  CLK   ,   // clock posedge

  RST   ,   // reset posedge

  FREQIN,   // input frequency word

  FREQEN,   // frequency word input enable

  DDSEN ,   // multi-cycle dds work enable

  OUTVD ,   // dds output valid

  DDSOUT);  // dds  output wave

 

input           CLK   ;

input           RST   ;

input  [32-1:0] FREQIN;

input         &n

<think>我们正在讨论FPGA中的ADCDAC,但用户之前的问题是关于FPGA中的"Bank"概念。现在用户的新问题是关于ADCDACFPGA中的作用和应用。根据提供的引用,我们可以总结如下: 1. 引用[1]提到:基于FPGAADCDAC设计在嵌入式系统中具有重要的应用意义,并提供了基于SAR ADC和R-2R网络型DACFPGA设计示例,应用于信号处理、音频处理和图像显示等领域。 2. 引用[2]描述了一个具体设计:使用50M晶振通过FPGA内部的锁相环生成DACADC所需的时钟,并设计了DDS模块生成正弦波,然后通过DAC输出,同时通过ADC采集信号。 3. 引用[3]描述了一个综合项目:通过按键控制ADC采样,将采集的数据存储在FIFO中,然后通过串口发送,同时使用FPGA的ROM资源存储信号并驱动DAC输出。 4. 引用[4]给出了一个顶层模块的代码,展示了FPGA如何ADCDAC芯片进行接口连接。 因此,用户的问题可以分解为: - ADCDAC的基本概念 - 它们在FPGA中的作用 - 典型应用场景 - FPGA如何实现ADC/DAC的接口 回答结构: 1. **基本概念**:解释ADCDAC的含义。 2. **FPGA中的角色**:说明为什么FPGA需要ADC/DAC,以及FPGA如何它们交互。 3. **应用领域**:根据引用列举几个典型应用。 4. **实现方式**:简要描述FPGA中控制ADC/DAC硬件设计(如引用中的示例)。 注意:引用中提到的设计实例(如SAR ADC、R-2R DAC)可以适当引用。</think>### FPGA中的ADCDAC:概念、作用应用详解 在FPGA系统中,**ADC(模数转换器)** 和 **DAC(数模转换器)** 是实现模拟信号数字信号双向转换的核心组件。它们通过FPGA的逻辑控制,构建了嵌入式系统的“感知-处理-输出”闭环。以下是关键解析: --- #### 1. **基本概念** - **ADC(模数转换器)** 将连续模拟信号(如电压、温度)转换为离散数字信号,供FPGA处理。例如: - 输入:传感器模拟信号(如温度传感器电压) - 输出:数字位流(如12位二进制码) - 引用示例:ADC模块通过 `ADC_SDO` 引脚输出转换数据,`ADC_EOC` 标志信号指示转换完成[^4]。 - **DAC(数模转换器)** 将FPGA生成的数字信号转换为模拟信号输出。例如: - 输入FPGA计算的数字波形(如正弦波数据) - 输出:连续模拟信号(如音频波形) - 引用示例:DAC模块通过 `DAC_DATA` 引脚输出数字信号,`DAC_SCLK` 提供时钟同步[^4]。 --- #### 2. **在FPGA中的作用** | **组件** | **核心作用** | **FPGA交互逻辑** | |----------|--------------|------------------| | **ADC** | 信号采集数字化 | - 通过状态机控制采样时序(如 `Ad_En_Conv` 启动信号)[^3] <br> - 配合FIFO缓存数据,避免丢失[^3] | | **DAC** | 数字信号模拟化输出 | - 用DDS(直接数字合成)生成波形数据(如正弦波)[^2] <br> - 时钟管理(如锁相环倍频生成DAC时钟)[^2] | **协同工作流程**: ```plaintext 模拟信号ADC采集FPGA处理(滤波/算法) → DAC输出 → 模拟设备 ``` 例如:音频系统中,ADC采集麦克风信号FPGA进行降噪处理,DAC输出至扬声器[^1]。 --- #### 3. **典型应用场景** - **高速数据采集系统** - ADC以高采样率捕获信号(如引用中20MHz ADC时钟[^2]),FPGA通过FIFO缓存数据并传输至上位机[^3]。 - 应用:医疗仪器(心电图)、工业检测。 - **信号生成处理** - FPGA用ROM存储波形数据,DAC输出可编程信号(如正弦波、方波)[^3]。 - 应用:通信系统(调制解调)、音频合成。 - **嵌入式闭环控制** - ADC读取传感器数据(如电机转速),FPGA计算控制指令,DAC驱动执行器[^1]。 - 应用:机器人伺服控制、电源管理。 --- #### 4. **FPGA实现关键技术** - **时序同步** - ADC/DAC需严格时钟同步:FPGA用锁相环(PLL)生成时钟(如50MHz晶振→80MHz DAC时钟[^2])。 - 关键信号:`ADC_SCLK`(ADC时钟)、`DAC_LOAD`(DAC数据加载)[^4]。 - **接口协议** - **SPI接口**:通过 `ADC_SDI`(数据输入)、`ADC_CS`(片选)控制ADC芯片[^4]。 - **并行总线**:高速DAC直接连接FPGA I/O Bank(如16位数据线)。 - **资源优化** - 使用FPGA内置ROM存储预定义波形,减少计算延迟[^3]。 - FIFO缓冲解决ADC/DAC速度不匹配问题[^3]。 --- #### 5. **设计挑战解决方案** - **信号完整性** - 挑战:高频ADC采样易受噪声干扰。 - 方案:隔离模拟/数字电源,使用差分信号(如LVDS)。 - **时序约束** - 挑战:DAC输出建立时间(Setup Time)不满足导致失真。 - 方案:在FPGA逻辑中对时钟反相以满足时序[^2]。 - **校准需求** - 引用示例:通过按键(`Key_in`)控制ADC采样次数(如100次连续采集),提升精度[^3]。 --- ### 总结 ADCDACFPGA物理世界交互的“桥梁”: - **ADC** 实现“感知”,将模拟信号数字化; - **DAC** 实现“控制”,将数字指令转化为模拟输出。 二者结合,在高速采集、实时处理、嵌入式控制等领域发挥核心作用[^1][^3]。通过FPGA的灵活逻辑设计(如时序管理、协议实现),可高效适配多种ADC/DAC芯片,显著提升系统性能[^2][^4]。
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