一、74HC4051简介

1. 74HC4051原理

         当同时需要输出或者采集8个低频的电压但是又为了要减少DAC/ADC的数量，可以使用多路复用器74HC4051。

        74HC4051是一款8通道模拟多路复用器/解复用器，其核心功能是通过数字控制信号选择某一通道导通，与38译码器不同的是，74HC4051是模拟信号的导通，可以理解为导线的直接相连。导通是双向的。既可以在8路电压中选择一路输出，也可以将一路公共电压映射到8路输出的任意一路。

        74HC4051的模拟开关本质是物理通道切换。当切换通道时，前一路的物理连接会被断开，芯片本身不会存储或维持之前通道的电压值。但是每个通道后端可以并联一个电容(时间常数τ=RC)以及一个运放，用于暂时的电压保持，因此74HC4051也需要不断地切换轮巡所有通道。避免电容放点时间过长，丧失电压保持的功能。

 2. 74HC4051引脚定义

3. 74HC4051真值表

Input				Channel ON
E_N	C	B	A
0	0	0	0	X0 to Z
0	0	0	1	X1 to Z
0	0	1	0	X2 to Z
0	0	1	1	X3 to Z
0	1	0	0	X4 to Z
0	1	0	1	X5 to Z
0	1	1	0	X6 to Z
0	1	1	1	X7 to Z
1	X	X	X	switches off

二、DACx0501

1. DACx0501简介

        DACx0501是德州仪器（TI）推出的高精度、低功耗数模转换器（DAC）系列，包含16位的DAC80501、14位的DAC70501和12位的DAC60501三款型号。该系列专为工业、测试测量和通信等场景设计，具有以下核心特性：

        1. ​高精度与稳定性

        ​分辨率与线性度：提供12-16位分辨率，最大积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）均低于1LSB，确保输出信号的精确性。

        ​内部基准电压：集成2.5V精密基准源，温度漂移低至5ppm/°C，支持1.25V、2.5V或5V的满量程输出电压范围，并可通过外部基准扩展灵活性。

        2. ​低功耗设计

        工作电流仅1mA（5.5V供电时），在掉电模式下电流可降至15µA（典型值），适合电池供电或低功耗场景。

        宽电源电压范围（2.7V至5.5V），兼容多种供电环境。

         3. ​灵活的接口与配置

​        数字接口：通过SPI2C引脚可切换为SPI或I²C模式。SPI模式下支持高达50MHz的时钟速率，I²C模式兼容标准（100kbps）、快速（400kbps）和快速+（1.0Mbps）速率。本文仅介绍其SPI模式。

        ​上电复位功能：输出默认为零电平或中间电平，需写入有效代码后才会更新，防止系统启动时的不确定性

2.  DACx0501配置

        1.spi模式的数据帧格式

Bit24~21	Bit20~17	Bit16~1
0	4bit地址	8bit数据

        2. 发送时序

        3.寄存器 

名称	地址	功能描述	关键字段/位定义
​NOOP	0x0	无操作寄存器，用于维持当前状态或填充通信帧。	命令位0000，无数据操作。
​DEVID	0x1	设备识别寄存器，读取芯片型号和版本信息。	RESOLUTION位标识DAC分辨率，RSTSEL保留位需置0。
​SYNC	0x2	同步控制寄存器，管理多DAC同步更新。	DAC_SYNC位控制同步模式，SYNC_EN使能硬件同步引脚。
​CONFIG	0x3	核心配置寄存器，控制参考电压、缓冲器和功耗模式。	REF_PWDWN（参考电压使能）、BUF_GAIN（输出缓冲增益）、DAC_PWD（DAC关断）。
​GAIN	0x4	增益校准寄存器，设置输出范围（如0-VREF或0-2VREF）。	BUF_GAIN位选择增益倍数（bit8置位：1/2，1x或bit0置位：2x），RESERVED位需置0。
​TRIGGER	0x5	触发控制寄存器，配置DAC更新触发方式。	LDAC位选择立即更新或同步触发，SOFT_RESET位触发软件复位。
​STATUS	0x7	状态监控寄存器，检测参考电压异常或配置错误。	REF_ALARM位指示参考电压故障，需通过写1清除标志。
​DAC_DATA	0x8	DAC数据寄存器，写入待转换的数字值（16~20位，取决于分辨率）。	数据位直接映射到模拟输出，需按分辨率对齐有效位。

 4.verilog代码

// 顶层模块：DAC多路复用控制器
module dac_multiplexer (
    input clk,          // 系统时钟（如50MHz）
    input reset_n,      // 异步复位
    // SPI接口
    output spi_sclk,    // SPI时钟
    output reg spi_cs,  // SPI片选（低有效）
    output spi_mosi,    // SPI主输出
    input spi_miso,     // SPI主输入（未使用）
    // 74HC4051控制
    output [2:0] mux_sel,  // 通道选择ABC
    output mux_en_n,       // 使能信号（低有效）
    // 状态指示
    output reg [2:0] state_led // 状态机指示
);

// ---------- 参数定义 ----------
parameter NUM_CHANNELS = 8;       // 复用通道数
parameter CLK_DIV = 16;           // SPI时钟分频系数
parameter HOLD_TIME = 1000;       // 电压保持时间（时钟周期数）

// ---------- 寄存器定义 ----------
reg [15:0] dac_data[0:7];         // 8通道DAC数据缓存
reg [23:0] spi_tx_data;            // SPI待发送数据（4位保留+4位地址+16位数据）
reg [7:0] spi_counter;            // SPI位计数器
reg [24:0] hold_counter;          // 电压保持时间计数器
reg [2:0] current_channel;        // 当前通道编号

// ---------- 状态机定义 ----------
typedef enum {
    IDLE,
    SPI_START,
    SPI_TX,
    CHANNEL_HOLD,
    CHANNEL_SWITCH
} state_t;
reg [2:0] state;

// ---------- SPI时钟生成 ----------
reg [7:0] clk_div_counter;
reg spi_clk;
always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
    if (!reset_n) begin
        clk_div_counter <= 0;
        spi_clk <= 0;
    end else begin
        if (clk_div_counter >= CLK_DIV/2 - 1) begin
            clk_div_counter <= 0;
            spi_clk <= ~spi_clk;
        end else begin
            clk_div_counter <= clk_div_counter + 1;
        end
    end
end
assign spi_sclk = (state == SPI_TX) ? spi_clk : 1'b0;

// ---------- 主状态机控制 ----------
always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
    if (!reset_n) begin
        state <= IDLE;
        spi_cs <= 1'b1;
        current_channel <= 3'b0;
        hold_counter <= 0;
    end else begin
        case (state)
            IDLE: begin
                state_led <= 3'b001;
                if (current_channel < NUM_CHANNELS-1)
                    current_channel <= current_channel + 1;
                else
                    current_channel <= 0;
                state <= SPI_START;
            end
            
            SPI_START: begin
                state_led <= 3'b010;
                spi_cs <= 1'b0;
                spi_counter <= 23; // 24位数据长度
                spi_tx_data <= {4'd0,4'h8, dac_data[current_channel]}; // DAC_DATA寄存器地址0x8
                state <= SPI_TX;
            end
            
            SPI_TX: begin
                state_led <= 3'b011;
                if (spi_clk && spi_counter > 0) begin
                    spi_counter <= spi_counter - 1;
                    spi_tx_data <= spi_tx_data << 1;
                end
                if (spi_counter == 0) begin
                    spi_cs <= 1'b1;
                    state <= CHANNEL_HOLD;
                end
            end
            
            CHANNEL_HOLD: begin
                state_led <= 3'b100;
                if (hold_counter < HOLD_TIME)
                    hold_counter <= hold_counter + 1;
                else begin
                    hold_counter <= 0;
                    state <= CHANNEL_SWITCH;
                end
            end
            
            CHANNEL_SWITCH: begin
                state_led <= 3'b101;
                mux_sel <= current_channel;
                state <= IDLE;
            end
        endcase
    end
end

// ---------- 74HC4051控制 ----------
assign mux_en_n = (state == CHANNEL_SWITCH) ? 1'b0 : 1'b1;

// ---------- SPI数据输出 ----------
assign spi_mosi = spi_tx_data[23];

// ---------- 初始化数据加载（示例） ----------
initial begin
    // 初始化DAC数据缓存（可根据实际应用修改）
    dac_data[0] = 16'h8000;  // 通道0中间电平
    dac_data[1] = 16'h4000;  // 通道1 25%电平
    dac_data[2] = 16'hC000;  // 通道2 75%电平
    // ... 其他通道初始化
end

endmodule