基于FPGA的新型數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

數(shù)字電壓表是大學(xué)物理教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中的重要儀表，其數(shù)字化是指將連續(xù)的模擬電壓量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字量并加以顯示。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)用模擬電壓表功能單一、精度低、體積大，且存在讀數(shù)時(shí)的視差，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用易引起視覺疲勞，使用中存在諸多不便。而目前數(shù)字萬(wàn)用表的內(nèi)部核心多是模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，其精度很大程度上限制了整個(gè)表的準(zhǔn)確度，可靠性較差。本文采用National Semiconductor。公司性能優(yōu)越的8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809對(duì)模擬電壓采樣，以一片高性能FPGA芯片為控制核心，以軟件實(shí)現(xiàn)了諸多硬件功能，對(duì)電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的運(yùn)算處理并送出顯示。系統(tǒng)的主要功能都集成在一塊芯片上，大大減少了系統(tǒng)的分立元件數(shù)量，降低了功耗，增加了可靠性，較好地實(shí)現(xiàn)了電壓的精準(zhǔn)測(cè)量。

1 設(shè)計(jì)方案比較
采用雙積分式模／數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心器件，稱為雙積分式電壓表。在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，將被測(cè)電壓Ui加到積分器的輸入端，在確定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分。然后切斷輸入電壓，在積分器的輸入端加與Ui極性相反的電壓U，進(jìn)行定值積分，但積分方向相反，直到積分輸出達(dá)到起始電平為止，從而將Ui轉(zhuǎn)換成時(shí)間間隔量進(jìn)行測(cè)量。只要用計(jì)數(shù)器累計(jì)時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，即為Ui之值。電路簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。但電壓表的測(cè)量精度完全受限于模／數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。而且系統(tǒng)無(wú)升級(jí)空間。
另外，采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。輸入信號(hào)經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)不同電壓信號(hào)計(jì)算出不同數(shù)值，并送出顯示。這種方案優(yōu)點(diǎn)是的單片機(jī)技術(shù)成熟、運(yùn)算功能較強(qiáng)、編程靈活、設(shè)計(jì)成本也較低，能較準(zhǔn)確地測(cè)量輸入電壓。但在單片機(jī)系統(tǒng)中必須使用許多分立元件組成其外圍電路，整個(gè)系統(tǒng)顯得十分復(fù)雜，可靠性較低，抗干擾能力差，而且功耗高。
采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列即FPGA為系統(tǒng)核心，是當(dāng)今電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的熱門發(fā)展方向。系統(tǒng)最大限度地將所有器件集成在FPGA芯片上，體積大大減小、集成度高，可靠性高。而且邏輯單元控制靈活、適用范圍極廣，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模和超大規(guī)模電路的集成。其硬件功能完全由軟件編程實(shí)現(xiàn)，修改調(diào)試方便，在不改變?cè)须娐返幕A(chǔ)上便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)。較好地克服了另外兩種方案的缺陷，具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。綜合上述分析，采用FPGA技術(shù)，優(yōu)勢(shì)明顯。

2 系統(tǒng)工作原理
首先，被測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA中控制信號(hào)模塊發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其采樣得到的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)在相應(yīng)的碼制轉(zhuǎn)換模塊中轉(zhuǎn)換為顯示代碼。最后譯碼驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出顯示控制與驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部的LCD模塊顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。通過(guò)外部的鍵盤，可以手動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位控制和檔位選擇，不同的檔位決定不同的電壓輸入范圍，在程序中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。基本工作原理框圖如圖1所示。

3 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)
3．1 A／D轉(zhuǎn)換電路
實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的方法比較多，常見的有計(jì)數(shù)法、雙積分法和逐次逼近法。由于逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換具有速度快，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用該法的ADC芯片成本較低，因此在設(shè)計(jì)中采用該種方式。逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器的原理如圖2所示。它由逐次逼近寄存器、D／A轉(zhuǎn)換器、比較器和緩沖寄存器等組成。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，逐次逼近寄存器清0，這時(shí)，D／A轉(zhuǎn)換器輸出電壓V。也為O，當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，轉(zhuǎn)換開始，同時(shí)，逐次逼近寄存器進(jìn)行計(jì)數(shù)。轉(zhuǎn)換原理如圖2所示。

逐次逼近寄存器工作時(shí)與普通計(jì)數(shù)器不同，它不是從低位向高位逐一進(jìn)行計(jì)數(shù)和進(jìn)位，而是從最高位開始，通過(guò)設(shè)置試探值來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，控制電路把最高位送到逐次逼近寄存器，使它的輸出為10000000，這個(gè)輸出數(shù)字一出現(xiàn)，D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V。就成為滿量程值的128／255。這時(shí)，若Vo>Vi則作為比較器的運(yùn)算放大器的輸出就成為低電平，控制電路據(jù)此清除逐次逼近寄存器中的最高位；若Vo≤Vi則比較器輸出高電平，控制電路使最高位的1保留下來(lái)。
若最高位被保留下來(lái)，則逐次逼近寄存器的內(nèi)容為10000000，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖使次低位D6為1。于是，逐次逼近寄存器的值為11000000，D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vo到達(dá)滿量程值的192／255。此后，若Vo>Vi則比較器輸出為低電平，從而使次高位域復(fù)位；若VoVi則比較器輸出為高電平，從而保留次高位為1。重復(fù)上述過(guò)程，經(jīng)過(guò)N次比較以后，逐次逼近寄存器中得到的值就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，控制電路送出一個(gè)低電平作為結(jié)束信號(hào)，此信號(hào)的下降沿將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，從而得到數(shù)字量輸出。
這里采用的ADC0809是單片雙列直插式集成芯片，是8通道8位A／D轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)是：分辨率為8位；總的不可調(diào)誤差±1 LSB；當(dāng)模擬輸入電壓范圍為0～5 V時(shí)，可使用單一的+5 V電源；轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs；溫度范圍-40～+85℃；不需另加接口邏輯可直接與CPU連接；可以輸入8路模擬信號(hào)；輸出帶鎖存器；邏輯電平與TTL兼容。
ADC0809帶有8位轉(zhuǎn)換器、8位多路切換開關(guān)以及與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它的8位A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近法。在A／D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開關(guān)樹組的256R分壓器，以及一個(gè)逐次逼近的寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問(wèn)一個(gè)單邊的模擬信號(hào)。其工作框圖如圖3所示。

該A／D轉(zhuǎn)換器無(wú)需調(diào)零和滿量程調(diào)整。由于多路開關(guān)的地址輸入能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，易于與微處理器進(jìn)行接口。
如圖3所示，它由兩大部分所組成：第一部分是8通道多路模擬開關(guān)，它用于控制C，B，A端子和地址鎖存允許端子，可使其中一個(gè)通道被選中；第二部分為一個(gè)逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，它由比較器、控制邏輯、輸出緩沖鎖存器、逐次逼近寄存器以及開關(guān)樹組和256R電阻分壓器組成。后兩種電路，即開關(guān)樹和256R電阻分壓器，組成了D／A轉(zhuǎn)換器。控制邏輯用來(lái)控制逐次逼近寄存器從高位到低位逐次取1，然后將此數(shù)字量送到開關(guān)樹組，即8位開關(guān)，用來(lái)控制開關(guān)S7～S0與參考電平相連接。參考電平經(jīng)256R電阻分壓器，輸出一個(gè)模擬電壓Uo，Uo，Ui在比較器中進(jìn)行比較。當(dāng)Uo>Ui時(shí)，本位D=O；當(dāng)Uo≤Ui時(shí)，則本位D=1。因此，從D7～D0比較8次即可逐次逼近寄存器中的數(shù)字量，即與模擬量Ui所相當(dāng)于的數(shù)字量相等。此數(shù)字量送入輸出鎖存器，并同時(shí)發(fā)轉(zhuǎn)換結(jié)束脈沖。