超细纤维布 南 阳 理 工 学 院
基于Verilog-HDL的数模转换器的设计
院 系：电子与电气工程学院
专 业：电子信息工程
姓 名：王 晓 宁
学 号：105090440022
指导老师：曹 原
摘要
随着计算机技术以及集成电路的迅速发展，对于芯片部分的数字部分和模拟部分接口电路的研究尤为重要。 电子设计自动化逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。尤其是计算机在自动控制、自动检测以及其他许多领域中的广泛应用，使得对于数字部分与模拟部分的研究显得尤为重要。
本文主要研究了基于Verilog-HDL语言的D／A转换器的高层次行为模型。
第一章 引言
1.1 研究的目的与意义
1.2 数模转换器研究现状合成氨催化剂
1.3 研究的内容
第二章 D/A转换器的基本设计原理
第三章 EDA技术及Verilog-HDL设计
3.1 EDA技术
3.2 Verilog-HDL语言
3.3 EDA技术的开发环境-Quartus II
第四章 设计实现
箱包手把 4.1 系统方框图和结构设计
4.2 各模块的Verilog-HDL源程序
4.3
1引言
在计算机技术的推动下，20世纪末，电子技术获得飞速的发展。20世纪90年代，国际上电子与计算机技术比较先进的国家，一直都在积极研究心得电子电路设计的方法。
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tmdi-30电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）技术作为现代电子设计的核心，它依赖计算机技术，在EDA工具软件（Quartus II）平台上，使用硬件描述语言（Verilog-HDL）来完成对系统硬件功能的设计。电子设计自动化工具给电子设计带来了巨大变革，特别是可编程逻辑器件和硬件描述语言的出现与发展，解决了诸多不便。
VHDL是目前通用的硬件描述语言之一，可用来描述一个数字电路的输入、输出以及相互间的行为与功能。它特有的层次性—由上到下的结构式语法适合大型项目的设计，而且修改方便、移植性强，它的源代码已经成为一种输入标准，可用于各种EDA工具。使用VHDL设计数字系统已经成为当今电子设计技术的趋势。 1.1课题研究的意义
对于数模转换器的设计，大部分是采用C语言以及单片机编程来实现的。随着数字电路技术和计算机技术的发展，EDA技术取代了传统的电子设计方法而成为数字电路设计的主要
技术。突出表现了EDA技术的功能。而且通过本课题的研究，能够掌握数模转换器的实现方法，熟悉转换器的工作过程，掌握数模转换器在实际生活中的应用方法，这样也有利于了解转换器的实现过程，掌握设计转换器的算法，提高能力。同时也掌握EDA技术。
1.2数模转换器研究现状
随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展和普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象一般是模拟量（如温度、压力、图像等），要使计算机或者数字仪表能识别、处理这些信号，必须先把这些虚拟信号转换为数字信号。
本课题所涉及的问题在国内（外）的研究现状
（1）近年来，随着社会和科学技术的发展，数字系统已经成为人类的重要部分。对于模拟系统，我们要利用信号处理技术转换为数字信号。随着数字信号处理技术的发展以及新算法的不断涌现，再加上数字信号器件性能的不断提高，数模转换器的设计要求也在不断提高。
（2）国外对于数模转换器的发展，推出双通道数模转换器，可以为宽带传输系统降低材料清单成本，高采样的数模转换器从而提高信号的准确性。
（3）国内对于数模转换器的发展正在努力研究高效率的数模转换器，从而提高数字信号处理技术，为人类科技进步提供前提。
1.3本课题研究的内容
本文主要根据数字电路中的数模转换器的设计原理，通过采用硬件描述语言Verilog-HDL对其进行研究与仿真。本文所介绍的主要内容有以下五章内容。
第一章主要介绍主要课题的研究意义，研究目的，研究内容以及国内外对于数模转换器的研究现状做出概述。
第二章主要介绍数模转换器的基本工作原理、分类和性能参数，同时对各种类型的D／A转换器的特点进行了对比研究，为转换器设计的发展创造了条件。
第三章首先介绍了模拟硬件描述语言Verilog-HDL，简单介绍了Verilog-HDL描述行为模型的结构，同时介绍了基本电路元器件的模型，给出了一个简单电路的模型代码。
第四章主要介绍运用Quartus II软件实现数模转换器的设计及程序框图。在Quartus II软件中进行仿真，得到仿真波形与结果并分析。
第五章主要对设计进行总结，提出设计的不足
2、数模转换器的基本原理和常见电路
本章系统介绍数模转换器的基本工作原理，以及影响数模转换器性能参数的主要因素，和常见的几种典型电路。搜索引擎制作
2.1 数模转换器的基本工作原理
数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件，通常这种转换是线性的。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。它是经过DSP(数字信号处理器)运算或其他数字设备的数字信号还原成“逼真”的模拟信号，将数字输入转换为模拟输出。
对于线性模数转换器：
Vo=VRD (2-1)
其中，D是数字输入，VR是模拟参考输入， Vo是模拟输出。这里的模拟输出可
以是电压，也可以是电流。若用二进制表示时，
D=a12-1+a22-2+……+ an2-n= (2—2)
式中an为l或0，由数字所对应的位的逻辑电平来决定：N是数字输入D的位数。
由此，(2．1)式又可以写为
Vo=VR (2—3)
l以上表明，输出模拟量与输入数字量成正比。输出模拟量是由一系N-进制
分量叠加而成的。对于单位数字量的变化，模拟输出是按等幅度的阶跃的量变化的。
数模转换器的转换原理：
数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。这就是组成D/A转换器的基本指导思想。
/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。
下图2．1是一般D／A转换器的原理结构图：
如上图所示，数模转换器一般由数字输入、基准电压源、模拟开关、电阻或
电容网络、加法电路、运算放大器、模拟输出等组成。在实际应用中，根据集成
度的不同，不同的D／A转换器中可能不完全包括其中的每一部分。
2.2数模转换器的主要性能参数
理想的线性D／A转换器，其输入输出电路是相互隔离的，而且不接地。它的
噪声为零，并且对应于一个确定的数字输入，有一个确定的输出电流(或电压)。
当数字输入发生单位码的变化时，模拟输出的变化是等间距的。电流输出型D／A转
换器，其输出阻抗应为无穷大；电压输出型D／A转换器的输出阻抗应为无穷小。
当输入发生变化时，模拟输出变化速率是无穷大。此外，转换器的转换特性应不
随时间、温度、电源电压等改变而改变。所有误差应为零。
然而实际的D／A转换器与理想D／A转换器有偏差，因此，需要通过一些参数的测
量来衡量它们性能的优劣。所有参数基本上可分为静态参数、动态参数两大类。
下面从这两个方面对D／A转换器的主要性能参数进行介绍。
2．2．1 静态参数
精度
精度是转换器实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间最大的偏差。其单
位通常用满量程范围FS的百分数(％FS)或LSB表示。所谓理想转换特性曲线，
对于D／A转换器来说，就是连接理想转换器输出最正、负两点的直线。精度分为
相对精度和绝对精度。在零点和满量程值校正后测得的精度为相对精度，否则为
绝对精度。一般参数中给出的是相对精度，绝对精度由于受温度和时间的影响较
大，很难给出确定的值。
分辨率
D／A转换器的分辨率有不同的定义方法。一种定义是D／A转换器模拟输出可
能被分立的数目，例如，一个二进制D／A转换器，其输入位数是n，则其理论分
率应为2n；另外一种把D／A转换器输出能被分离的最大数目的倒数定义为分辨
率。分辨率可以用能处理数码的位数来表示，也可以用它的总数码数或是LSB相
对于满刻度值的百分比来表示即(1／2n％)。
由于噪声、温度、时漂等的影响，转换器的分辨率有时要小于理论值。例如
12位转换器的分辨率在某一温度范围内的实际分辨率也许只有10位。D／A转换器
。
的实际分辨率受其相对精度的限制，但反过来分辨率并不限制精度。分辨率也能
反应动态特性，转换器的动态范围要求越严格，对分辨率的要求就越高。
误差参数
D／A转换器在静态时主要有四种误差，即失调误差、增益误差、积分非线性
误差和微分非线性误差。
a．失调误差
它是指数字输入为零时，模拟输出与零的偏差。它可以用LSB为进行描述，
也可以用此误差值相对于满刻度输出的百分比来描述。D／A转换器的初始失调是可以被调节为零的，但是
随着温度的变化引起的失调是无法消除的。
b．增益误差(满刻度误差)
转换器输入与输出之间关系的曲线的斜率称为转换器的增益。其与理想值之
间的误差称为增益误差。当转换器的失调误差调节为零时，它的增益误差就是满
度值误差。它用LSB为单位进行描述，或用此偏差值与满刻度输出的比值的百分
数来表示。
c．微分线性误差
微分线性误差(也叫微分非线性，Differential Nonlinearity，简写为DNL)是指两
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