基于FPGA的可編程電阻的設計

摘要：現在市場上的各種電阻和電阻箱有不足之處，不能滿足一些研發(fā)場所的要求，為了解決這一問題，本文介紹一種基于FPGA的可直接輸入阻值提供不同電阻的設計方法。FPGA通過控制繼電器的吸合，從而確定與其并聯的電阻的接入與否，最后通過電阻的疊加得到不同阻值。介紹了該設計的工作原理及軟件設計思想，并有部分仿真結果。這種設計使用8421編碼原則和硬件描述語言，減少了一些元器件的使用。相比于市場上的產品，其穩(wěn)定性更高，抗干擾性更強，體積也更小，同時，它的操作更簡便，顯示更直觀。
關鍵詞：現場可編程門陣列；可編程；任意電阻

0 引言
電阻幾乎是所有電路中必不可少的部分，常見的也有很多不同阻值的電阻，然而在一些電路中同一位置不同時刻還需要不同阻值，在一些精度要求不高的場合，可用滑動變阻器來實現，但是我們不能確定其具體阻值。隨著技術的進一步發(fā)展，為了滿足教學研某些場合的需要，阻值確定并可調的電阻箱應運而生。電阻箱提供阻值的原理是通過電阻的串并聯得到的不同阻值，因而用到的電阻數量較多，精度也不夠高，而且還需要對所需電阻的每一位數選擇相應的檔位，比較麻煩，也不夠直觀。而在一些生產應用中(如產品校驗)需同時提供幾組不同電阻，且要重復提供(如做產品老化檢測實驗)，這就需要將該阻值記錄下來，而以前的電阻箱都不具備記憶功能，不能滿足要求。
本文介紹了用FPGA來實現控制電阻的提供，用軟件的方式來設計硬件，設計過程中可用有關軟件進行各種仿真，同時整個系統可集成在一個芯片上，體積小、功耗低，可靠性高，又因為其內部有存儲單元，所以能夠滿足上述的“記憶”功能。

1 硬件電路
基于FPOA的可編程電阻系統的硬件系統(如圖1所示)主要由以下幾個功能模塊組成：


1．1 主控制器FPGA
FPGA(本設計中選用的是CyeloneII系列)控制中心是整個設計的核心，主要控制實現對系統的鍵盤輸入進行處理，并根據輸入的信息轉換成輸出數據，控制對應的繼電器的吸合，從而得到不同的阻值。
以往可編程網絡的主控制器有采用數字電路控制的，也有采用單片機控制的，本電路采用FPGA控制。EPGA是近幾年來出現并被廣泛應用的大規(guī)模集成電路器件，它的特點是直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測試和實現快捷，開發(fā)效率高，成本低，上市時間短，技術維護簡單，工作可靠性好等。因而用來設計可編程電阻其靈活性更好。
目前市場上主要生產FPGA產品的公司有Lattice、Xilinx、Altera。在教學過程中，一般使用Altera公司生產的FLEX系列和 Cyclone系列較多。鑒于產品的成本和通用性考慮，本實驗中采用CycloneII，它是第二代低成本FPGA系列，它所擁有的獨特性能有：NiosII嵌入式處理
器支持，嵌入式18*18數字信號處理乘法器，中等容量的片內存儲器(能夠滿足本設計的要求)中等速度的I／O引腳和存儲器接口。在性價比上更適合本設計，所以在本設計中選用此系列。
1．2 鍵盤輸入電路
鍵盤輸入電路主要實現輸出電阻值大小的設定，本設計中采用的4*4簡易鍵盤輸入即可滿足要求，可提供簡單明了的數字鍵和功能鍵共16個鍵，包括：數字輸入鍵：數字鍵0～9，按下數字鍵，輸入一個數字，就可在對應的數碼管上顯示。
功能鍵：“電阻1”、“電阻2”本設計可以同時提供兩組電阻，可以選擇電阻1，也可以選擇電阻2，提供一組電阻，也可以電阻1、電阻2同時選擇提供兩組電阻。
“存儲”：每輸入完一個數字后按一下存儲鍵，以便能夠將幾個數據存儲下來，運行后將按數據存儲的先后順序及預置的時間工作，循環(huán)提供數據。
“運行”：此鍵作為存儲完數據后的啟動鍵。
“停止”：停止提供電阻。
“復位”：可作為修改數據時用，按此鍵后可以使以前存儲的數據都清零，然后重置一組數據。
1．3 繼電器電阻網絡
電阻網絡。其原理圖如圖2所示，從圖中可以看出，開關的閉合決定與其對應的電阻的接入與否，本設計中采用8421編碼原理控制提各阻值。


本設計所供用的電阻要精確到0．1 Ω，所以，此電阻網絡所使用的電阻都是精密電阻。這里我們以提供電阻阻值在1500Ω以內的電阻為例來說明。此電阻網絡采用串聯的方式來實現，8421編碼方式只要控制相應的繼電器，將其對應的精密電阻短接就可以實現。以1500 Ω以內電阻為例，只需16個電阻就可以滿足要求。通過控制繼電器J1至J16的斷開或閉合，其對應的電阻就會接入或斷開，最后接入的電阻串聯相加就得輸出的電阻值。
如通過鍵盤輸入一個預置值，如果輸入的數值為545．7Ω， 輸出的阻值大小就可以表示R=400+100+40+4+1+0．4+0．2+0．1。即只需將這些電阻需要接入，相應的繼電器J1、J2、J3、J5、 J7、J11、J13、J15要斷開，其余的繼電器則閉合，對應的二進制代碼則為(0101 0100 0101 0111)B，通過此列可以看出用16個電阻就可以實現1500Ω以內的精度可達到O．1 Ω的任何電阻，使用電阻數量小，通過程序來控制電阻的接入，體積更小，同時，維護起來也更加方便，如果需要大于1500Ω的電阻，同樣可以根據此原理來增加電阻(如8000、4000、2000、1000等)，因為此設計中同時提供兩個電阻，因而還要16個同樣的電阻，原理同上(根據不同場合如要提供三組或三組以上的電阻只需相應增加即可)。