EDA（Quartus II）——ADC采样控制电路设计

实验目的：

用状态机控制ADC0809实现A/D转换。

实验原理：

如下图所示为状态机控制ADC0809的结构框图。

图1 采样状态机结构框图

用状态机对ADC0809进行采样控制，首先必须了解其工作时序，然后据此作出状态图，最后写出相应的Verilog代码。

ADC0809是8位CMOS A/D转换器，片内有8路模拟开关，可控制8个模拟量中的一个进入转换器中。ADC0809的分辨率为8位，转换时间约100us，含锁存控制的8路多路开关，输出有三态缓冲器控制，单5V电源供电。

如图2所示为ADC0809工作时序及引脚图。

图2 ADC0809工作时序及引脚图

如图2所示，下面对ADC0809工作时序稍加解释。

（1）START为转换启动控制信号，高电平有效；

（2）ALE为模拟信号输入选通端口地址锁存信号，上升沿有效；

（3）START信号有效后，状态信号EOC即变为低电平，表示进入转换状态，转换时间约100us。转换结束后， EOC变为高电平，控制器据此可了解转换情况。

（4）外部控制可以使OE由低电平变为高电平（输出有效），此时0809的输出数据总线D[7:0]从原来的高阻态变为输出数据有效。

根据ADC0809工作时序，可以作出控制ADC0809采样状态图，如图3所示。

图3 控制ADC0809采样状态图

如图3所示，下面对各状态稍加解释。

  st0：对0809初始化；
  st1：由START、ALE发出启动采样和地址选通的控制信号，EOC由高电平变 为低电平，0809的8位数据输出端呈现高阻态“ZZ”；
  st2：采样周期中等待，等待了几个时钟周期后，EOC变为高电平，表示转换结束；
  st3：状态的输出允许OE被设置成高电平，此时0809的数据输出端D[7:0] 输出已经转换好的数据；
  st4：LOCK发出一个脉冲，其上升沿立即将D端口的数据锁入Q和REGL中。

实验内容：

一、控制器的设计仿真

控制ADC0809采样的状态机源代码，如下所示。

module control(CLK,D,EOC,RST,ALE,START,OE,ADDA,Q,LOCK_T,cs_1);//cs_1
input[7:0]  D; 							//来自ADC0809转换好的8位数据(8位二进制数)
input CLK,RST;								//状态机工作时钟和系统复位信号
input EOC;									//转换状态指示，低电平表示正在转换
output reg ALE;							//8个模拟信号通道地址锁存信号
output reg START,OE;						//转换启动信号和数据输出三态控制信号
output[3:0] cs_1;
output ADDA,LOCK_T;						//信号通道控制信号和锁存测试信号
output[7:0] Q;
parameter s0=0,s1=1,s2=2,s3=3,s4=4; //定义各状态子类型
reg[4:0] cs,next_state;					//为了便于仿真显示，现状态变量名简写为cs
reg[7:0] REGL;								//转换后数据锁存输出
reg LOCK;									//转换后数据输出锁存时钟信号

always@(posedge CLK or posedge RST) //时序过程
begin
   if(RST) cs<=s0;
	else cs<=next_state;  				//由现态变量cs将当前状态值带出过程
end

always@(cs or EOC) 						//组合过程
begin
   case(cs)
	s0:begin ALE<=0;START<=0;OE<=0;LOCK<=0;next_state<=s1; end	//ADC0890初始化
	s1:begin ALE<=1;START<=1;OE<=0;LOCK<=0;next_state<=s2; end	//启动采样信号START
	s2:begin ALE<=0;START<=0;OE<=0;LOCK<=0;
	         if(EOC==1'b1) next_state<=s3; 							//EOC=1表明转换结束
				else next_state<=s2;   										//转换未结束，继续等待
		end
	s3:begin ALE<=0;START<=0;OE<=1;LOCK<=0;next_state<=s4; end	//开启OE，打开ADC数据口
	s4:begin ALE<=0;START<=0;OE<=1;LOCK<=1;next_state<=s0; end	//开启数据锁存信号
	default:begin ALE<=0;START<=0;OE<=0;LOCK<=0;next_state<=s0; end
	endcase
end

always@(posedge LOCK)	//寄存器过程
begin
   REGL<=D; 				//在LOCK上升沿将转换好的数据锁入
end
assign ADDA=0;				//选择模拟信号进入通带IN0
assign Q=REGL;
assign LOCK_T=LOCK;		//将测试信号引出
assign cs_1=cs;			//将状态信号引出
endmodule

强调：因为本次实验牵扯到两个芯片，要理解对ADC0809来说是输入/输出，对状态机而言是输出/输入。

仿真：为了在仿真波形中看到当前状态cs的变化情况，可以增设输出cs_1，然后用 assign cs_1=cs语句，将当前状态cs的值赋给输出即可。如图4所示为控制器的仿真波形。

图4 控制器的仿真波形

 

二、定制锁相环：

1 ）选择宏功能模块PLL-Altera PLL v13.1，为该定制宏功能模块取名为PLL50，如图5所示。

图5 定制锁相环宏功能模块

2） 在生成的Altera PLL页面，在general页面做如下设置，如图6所示。点击finish按钮后，找到PLL50模块。

图6 宏功能模块锁相环设置

    

3）  PLL50设置完成之后，打开PLL50.v文件，用Create/Update命令，生成其Symbol文件。

三、顶层设计

ADC0809采样控制电路顶层设计如图7所示。

图7 ADC0809控制器顶层设计

           其中，控制器的工作时钟为5MHz，ADC0809的工作时钟为750KHz。

四、硬件验证

   该实验可以选择电路模式5，使用ADC0809扩展模块，如图8所示。需注意：该扩展模块如果插在主系统上使用，要选择主系统的带+-12V的的插座，比如我们实验箱的实验模块3。

引脚锁定：

图8 双通道DAC和ADC标准模块

   其中：标注“2”是ADC0809的模拟输入通道。标注“3”是ADC0809通道“IN0”输入的选择钮，可通过此按钮输入电压信号。因此在这个实验中我们只能通过IN0口给ADC0809输入模拟信号。标注“4”是0809的控制端口，其中有一个“CLK”端，是FPGA向0809的输入时钟端。标注“5”是0809的数据输出端。

要求：测出输出Q[7:0]分别为20、40、60、80、A0、C0、E0和FF时IN0口输入的模拟电压值，找到输入模拟电压值和输出数字量之间的关系，算出比例系数。测试方法为，测量ADC0809的26脚IN0和13脚GND之间的电压。

总结分析：