Vivado 下 AD9767 双通道正弦波产生例程
1、实验简介
本实验基于 Xinlinx 黑金 AX7A035 FPGA 开发板， 练习使用 AN9767 模块，实验中使用的模块是采用 ANALOG DEVICES 公司的 AD9767 芯 片，支持独立双通道、14 位、 125MSPS 的数模转换。在教程中介绍了利用该模块与 FPGA 开发板相连输出双通道 14 位的正弦波，然后通过示波器查看把输出的正弦波的波形。
AN9767 模块实物照片如下：
AN9767 双通道 DA 模块的详细参数:
- DA 转换芯片：AD9767；
- 通道数：2 通道；
- DA 转换位数：14bit；
- DA 更新速率：125 MSPS；
- 输出电压范围：-5V~+5V；
- 模块 PCB 层数：4 层，独立的电源层和 GND 层；
- 模块接口：40 针 2.54mm 间距排座，方向向下；
- 工作温度：-40°~85° 模块使用芯片均满足工业级温度范围
- 输出接口：2 路 BNC 模拟输出接口（用 BNC 线可以直接连接到示波器）；
2、实验原理
2.1、AN9767 模块原理框图
AN9767 模块的原理设计框图如下：
2.2、AD9767 芯片简介
AD9767 是双端口、高速、双通道、 14 位 CMOS DAC, 芯片集成两个高品质 TxDAC+® 内核、一 个基准电压源和数字接口电路, 采用 48 引脚小型 LQFP 封装。器件提供出色的交流和直流性能，同 时支持最高 125 MSPS 的更新速率。 AD9767 的功能框图如下：
2.3、电流电压转换及放大
AD9767 的两路 DA 输出都为补码形式的电流输出 IoutA 和 IoutB 。当 AD9767 数字输入为满量程时（DAC 的输入的 14 位数据都为高）， IoutA 输出满量程的电流输出 20mA 。 IoutB 输出的电流为 0mA 。具体的电流和 DAC 的数据的关系如下公式所示：
下表为数字输入信号和各级运放输出后的电压对照表：
AD9767 芯片的数字接口可以通过芯片的模式管脚 (MODE) 来配置成双端口模式 (Dual) 或者交叉 (Interleaved)模式。在 AN9767 模块设计中， AD9767 芯片是工作在双端口模式，双通道的 DA 数字输入接口是独立分开的。双端口模式(Dual) 的数据时序图如下图所示：
给 AD9767 芯片的 DA 数据通过时钟 CLK 和写信号 WRT 的上升沿输入到芯片进行 DA 转换。
3、程序设计
例程中提供了 AN9767 模块的 DA 测试程序，通过 AN9767 模块来实现正弦波信号的输出。正弦波测试程序是通过读取 FPGA 内部的一个 ROM 中存储的正弦波数据，然后把正弦波的数据输出到 AN9767 模块进行数模的转换，从而得到正弦波的模拟信号。正弦波测试程序的示意图如下：
3.1、生成 ROM 初始化文件
程序中我们会用到一个 ROM 用于存储 1024 个 14 位的正弦波数据 , 首先我们需要准备 ROM 的初始化文件( 如果是 ALTERA 开发板的话是 mif 文件，如果是 Xilinx 开发板的话是 coe 文件 ) 。以下为生成正弦波 ROM 数据文件的方法： 在软件工具及驱动文件夹下找到工具，其图标如下所示：
1. 双击.exe 打开工具，打开界面如下：
2. 可以根据需要自选波形，本例程中选择正弦波，数据长度 1024，数据位宽 14，其它默认：
3. 点击保存按钮，将生成的数据文件保存到工程目录文件下（注意保存的文件类型）：
4. 保存后出现如下对话框表示保存成功，点击确定后关闭工具
将 .coe 文件保存到生成的 Rom IP 核中即可。 将 .coe 文件保存到生成的 Rom IP 核中，详细步骤见： Vivado 下 IP核 之ROM 读写_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客
3.2、双通道正弦波发生程序
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2023/04/28 10:24:07
// Design Name:
// Module Name: ad9767_test
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
//双通道14位 DA模块
//正弦波测试程序是通过读取 FPGA 内部的一个 ROM 中存储的正弦波数据，
//然后把正弦波的数据输出到 AN9767 模块进行数模的转换，从而得到正弦波的模拟信号。
//
//Two sine wave outputs： -10V ~ +10V
//
module ad9767_test
(
//differential system clocks
input sys_clk_p, // Differential input clock 200Mhz
input sys_clk_n, // Differential input clock 200Mhz
output da1_clk, //AD9767 CH1 clock
output da1_wrt, //AD9767 CH1 enable
output [13:0] da1_data, //AD9767 CH1 data output
output da2_clk, //AD9767 CH2 clock
output da2_wrt, //AD9767 CH2 enable
output [13:0] da2_data //AD9767 CH2 data output
);
reg [9:0] rom_addr; //Store the ROM address of the DA data
wire [13:0] rom_data; //ROM data of DA
wire clk_125M; //clock for DA data processing
assign da1_clk = clk_125M;
assign da1_wrt = clk_125M;
assign da1_data = rom_data;
assign da2_clk = clk_125M;
assign da2_wrt = clk_125M;
assign da2_data = rom_data;
///*************************************************************************
//generate single end clock //differential system clocks
//**************************************************************************/
//wire sys_clk; //single end clock
//IBUFDS sys_clk_ibufgds
//(
// .O (sys_clk ), //Differential clock converted to single terminal clock
// .I (sys_clk_p ),
// .IB (sys_clk_n )
//);
/*************************************************************************
Generate the clock required for DA
****************************************************************************/
PLL PLL_inst
(
// Clock in ports
// .clk_in1 (sys_clk ),
.clk_in1_p (sys_clk_p ), // input clk_in1_p
.clk_in1_n (sys_clk_n ), // input clk_in1_n
.clk_out1 ( ), // output clk_out1
.clk_out2 (clk_125M ), // output clk_out2
.reset (1'b0 ), // input reset
.locked ( ) // output locked
);
/*************************************************************************
Generate the frequency of DA
****************************************************************************/
always @(negedge clk_125M) begin
rom_addr <= rom_addr + 1'b1; //一个正选波采样点为 1024,输出正选波频率：125/1024=122Khz
// rom_addr <= rom_addr + 4; //一个正选波采样点为 256,输出正选波频率：125/256=488Khz
// rom_addr <= rom_addr + 128; //一个正选波采样点为 8,输出正选波频率：125/1024=15.6Mhz
end
/*************************************************************************
Read sine wave data in ROM
****************************************************************************/
ROM ROM_inst
(
.clka (clk_125M ), // input wire clka
.ena (da2_wrt ), // input wire ena
.addra (rom_addr ), // input wire [9 : 0] addra
.douta (rom_data ) // output wire [13 : 0] douta
);
endmodule
//通过一个 PLL IP 来产生 125M 的 DA 输出时钟，
//然后就是循环读取存放在 ROM 中的 1024 个数据，并输出到通道 1 和通道 2 的 DA 数据线上。
//程序中可以通过地址的加 1，加 4, 或者加 128 来选择输出不同的频率的正弦波。通过一个 PLL IP 来产生 125M 的 DA 输出时钟，然后就是循环读取存放在 ROM 中的 1024 个数据，并输出到通道 1 和通道 2 的 DA 数据线上。程序中可以通过地址的加 1，加 4, 或者加 128 来选择输出不同的频率的正弦波。
3.3、通过一个 PLL IP 来产生 125M 的 DA 输出时钟
通过一个 PLL IP 来产生 125M 的 DA 输出时钟，详细步骤见： Vivado 下 IP核之 PLL实验_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客
3.4、将 .coe 文件保存到生成的 Rom IP 核中
将 .coe 文件保存到生成的 Rom IP 核中，详细步骤见： Vivado 下 IP核 之ROM 读写_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客
3.5、添加约束文件.XDC
添加约束文件.XDC，详细步骤见：Vivado 下 LED 流水灯实验_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客中的 “4.3、添加 XDC管脚约束文件”
############## clock define#### //differential system clocks#####黑金-FPGA#####
create_clock -period 5.000 [get_ports sys_clk_p]
set_property PACKAGE_PIN R4 [get_ports sys_clk_p]
set_property IOSTANDARD DIFF_SSTL15 [get_ports sys_clk_p]
############### Reset key define##########################
#set_property PACKAGE_PIN F15 [get_ports rst_n]
#set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rst_n]
############## output DAC 通道 1 数据 define##########################
set_property PACKAGE_PIN G21 [get_ports {da1_data[0]}]
set_property PACKAGE_PIN G22 [get_ports {da1_data[1]}]
set_property PACKAGE_PIN C22 [get_ports {da1_data[2]}]
set_property PACKAGE_PIN B22 [get_ports {da1_data[3]}]
set_property PACKAGE_PIN F19 [get_ports {da1_data[4]}]
set_property PACKAGE_PIN F20 [get_ports {da1_data[5]}]
set_property PACKAGE_PIN D20 [get_ports {da1_data[6]}]
set_property PACKAGE_PIN C20 [get_ports {da1_data[7]}]
set_property PACKAGE_PIN A18 [get_ports {da1_data[8]}]
set_property PACKAGE_PIN A19 [get_ports {da1_data[9]}]
set_property PACKAGE_PIN B20 [get_ports {da1_data[10]}]
set_property PACKAGE_PIN A20 [get_ports {da1_data[11]}]
set_property PACKAGE_PIN F18 [get_ports {da1_data[12]}]
set_property PACKAGE_PIN E18 [get_ports {da1_data[13]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[13]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[12]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[11]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[10]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[9]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[8]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da1_data[0]}]
############## DAC 通道 1 数据写时钟 define##########################
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports da1_clk]
set_property PACKAGE_PIN E19 [get_ports da1_clk]
#set_property -dict {PACKAGE_PIN E19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports da1_clk]
############## DAC 通道 1 数据写信号 define##########################
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports da1_wrt]
set_property PACKAGE_PIN D19 [get_ports da1_wrt]
#set_property -dict {PACKAGE_PIN D19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports da1_wrt]
############## output DAC 通道 2 数据 define##########################
set_property PACKAGE_PIN C18 [get_ports {da2_data[0]}]
set_property PACKAGE_PIN C19 [get_ports {da2_data[1]}]
set_property PACKAGE_PIN B17 [get_ports {da2_data[2]}]
set_property PACKAGE_PIN B18 [get_ports {da2_data[3]}]
set_property PACKAGE_PIN D17 [get_ports {da2_data[4]}]
set_property PACKAGE_PIN C17 [get_ports {da2_data[5]}]
set_property PACKAGE_PIN A15 [get_ports {da2_data[6]}]
set_property PACKAGE_PIN A16 [get_ports {da2_data[7]}]
set_property PACKAGE_PIN B15 [get_ports {da2_data[8]}]
set_property PACKAGE_PIN B16 [get_ports {da2_data[9]}]
set_property PACKAGE_PIN A13 [get_ports {da2_data[10]}]
set_property PACKAGE_PIN A14 [get_ports {da2_data[11]}]
set_property PACKAGE_PIN E16 [get_ports {da2_data[12]}]
set_property PACKAGE_PIN D16 [get_ports {da2_data[13]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[13]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[12]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[11]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[10]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[9]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[8]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {da2_data[0]}]
############### DAC 通道 2 数据写时钟 define##########################
set_property PACKAGE_PIN C14 [get_ports da2_clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports da2_clk]
############## DAC 通道 2 数据写信号 define##########################
set_property PACKAGE_PIN C15 [get_ports da2_wrt]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports da2_wrt]
#set_property -dict {PACKAGE_PIN C15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports da2_wrt]
#############SPI Configurate Setting##################
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]
4、实验现象
（ 1 ）将 AN9767 模块插入开发板， AX7A035 接 J11 ， AX7A100/AX7A200 接 J13 ，注意 1 脚对齐， 不要插错、插偏，不能带电操作。
（ 2 ） 用我们提供的 BNC 线 连接 AN9767 的输出到示波器 的输入如下图，然后开发板上电 , 下载程序就可以从示波器上观察从 DA 模块输出的模拟信号的波形了
（3）示波器上看到的正弦波如下：
（4）我们可以把程序中的地址修改成+4 的方式，如下修改，这样一个正弦波的输出的点为 256 个，输出的正弦波的频率会提高 4 倍：
程序修改后，重新下载 FPGA 后，正弦波的频率变高，示波器显示的波形如下：
