3 ∑-Δ DAC的FPGA实现

    如图2所示，∑-Δ DAC的内部仅由2个10位的二进制加法器，1个10位的锁存器和一个D触发器组成，用FPGA实现时只需耗费极少的逻辑资源，即使用最小的FPGA也能实现，本文采用了Xilinx Virtex FPGA，图3给出了FPGA实现的顶层原理图。输入信号有8位宽的二进制数字量DACin[7:0]、时钟信号CLK和复位信号Reset；输出信号为等幅脉冲串DACout，通过一个驱动缓冲器OBUF_F_24（是Xilinx FPGA特有的SelectI/O资源，OBUF表示输出缓冲器，F表示它的转换速率快，24表示它的驱动能力即输出驱动电流是24MA，基于LVTTL I/O标准）驱动FPGA外部的模拟RC低通滤波器，该缓冲器的输出端连接到FPGA的I/O端口，则它的驱动电压即为FPGA的I/O端口的供电电压VCCO。表1列出了∑-Δ DAC的接口信号。

图3  FPGA实现∑-Δ DAC的顶层原理图

表1  ∑-Δ DAC的接口信号
 
    图3虚线框内的电路都在FPGA里面实现，其中的DAC模块的原理图见图2，在本文中是用可以综合的VerilogHDL语句来描述的。VerilogHDL描述的可综合性是指其可被综合工具所识别，将其寄存器传输级（RTL）描述综合成门级网表，最终能通过FPGA的布局布线工具映射到FPGA当中成为能完成指定功能的硬件电路。VerilogHDL语言最初是面向建模和仿真的，只有10%可以被综合称为可综合子集。对于不同的综合工具，可综合子集的内容并不相同。IEEE的一个工作组目前正在撰写一个名为IEEE Std 1364.1RTL的综合子集的规范，定义了一个最小的可综合的Verilog语言要素的子集，以便得到各综合工具提供商的支持。
图3中缓冲器的输出端DACoutDrvr连接到FPGA的输出引脚上，驱动外部的模拟RC低通滤波器。图中R=3.3kΩ，C=0.0047μF，VOUT即为最终转换所得的模拟信号。下面给出了DAC模块的可综合的VerilogHDL描述：
‘timescale 100 ps / 10 ps
//This is a Delta-Sigma Digital to Analog Converter
module dac(DACout, DACin, Clk, Reset)；
output DACout； // This is the average output that feeds low pass filter
reg DACout；
input [7:0] DACin； // DAC input
input Clk；
input Reset；
reg [9:0] DeltaAdder； // Output of Delta adder
reg [9:0] SigmaAdder； // Output of Sigma adder
reg [9:0] SigmaLatch； // Latches output of Sigma adder
reg [9:0] DeltaB； // B input of Delta adder
always @(SigmaLatch) DeltaB = {SigmaLatch[9]，SigmaLatch[9]} << (8)；
always @(DACin or DeltaB) DeltaAdder = DACin + DeltaB；
always @(DeltaAdder or SigmaLatch) SigmaAdder = DeltaAdder + SigmaLatch；
always @(posedge Clk or posedge Reset)
begin
if(Reset)
begin
SigmaLatch <= #1 1’bl << (8)；
DACout <= #1 1’b0；
end
else
begin
SigmaLatch <= #1 SigmaAdder；
DACout <= #1 SigmaLatch[9]；
end
end
endmodule该程序经过Xilinx的FPGA集成开发工具ISE6.2编译（含综合过程）、仿真后，再选择Virtex系列FPGA芯片进行配置。设置CLK=100MHz（最高可达219MHz）。

4 结论

   ∑-Δ DAC是高速FPGA芯片用于数字模拟混合信号系统设计的尝试，可应用于可编程电压源、波形发生器、声音发生器、RGB颜色发生器和ADC的参考电压发生器等，极大的减少了系统的元件数目，降低了系统的成本，有很好的实用价值。
 

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