一種基于FPGA的新型數字電壓表研究與設計

　　4．2 信號采樣周期自調整算法

　　為協(xié)調好數據精度和系統(tǒng)負擔兩者之間的關系，對于疊加周期信號的輸入信號Vi，規(guī)定單個周期的數據采集不少于8個點，因此要對AD0809的采樣周期進行自適應調整。這里使用過零點檢測的方法，如果疊加信號的周期在0～25 Hz范圍內，采樣周期為5 ms。疊加信號周期在25～50 Hz時，采樣周期為2 ms；疊加信號周期在50～100 Hz時，采樣周期為1 ms。

　　設采樣周期的初始值為2 ms，采樣數為100點。則有：首先采集100個數據，計算平均值，作為輸入信號Vi的均估值(平均值的估計值)；再采集100個數據，與Vi的均估值進行比較，計算過零點的數量并統(tǒng)計；根據此數量，調整采樣周期，當此數量大于20時，令采樣周期為1 ms。當此數量不大于10時，令采樣周期為5 ms。其他令采樣周期為2 ms。

　　4．3 檢測疊加信號周期算法

　　依舊采用檢測過零點的數目來檢測周期。

　　設采集的數據點為1O0個，計算均值，作為輸入信號Vi的均估值；再采集數據，與Vi的均估值進行比較，計算過零點的數量并統(tǒng)計，同時統(tǒng)計每個數據過零點的時刻；檢測到三個過零點時，判斷其是否符合均勻分布，判斷是否檢測到一個周期。若檢測到一個周期，則停止檢測并計算此周期，否則繼續(xù)檢測。若檢測到相當數量的數據點，過零點數量仍小于3個，則認為輸入信號為直流信號。

　　5 程序流程

　　程序流程如圖6所示。

　　6 測試結果分析

　　采用高精度數字多用表UT88B輸出值作為標準值。由表1所示。

　　由數據對比可以看出，在O～5 V檔位上，該數字電壓表的誤差基本在O．01 V內。在O～50 V檔位上，誤差有所增大，但也控制在O．02 V以內，體現(xiàn)了ADC0809的轉換精度，電路整體設計合理可靠。至于O．02 V以內的偏差，可修改程序，采用軟件的方法進行數據校正，也可以進一步校正A／D的基準電壓。

　　7 結語

　　利用現(xiàn)場可編程門陣列技術，設計了該新型數字式電壓表。用軟件替代諸多硬件，在一塊高性能FPGA芯片上，實現(xiàn)采樣時序的控制、檔位的判斷選擇、碼制的轉換和LCD驅動，極大地提高了系統(tǒng)集成度和可靠性。文中重點介紹了檔位電路和FPGA內部模塊的設計以及關鍵算法的實現(xiàn)步驟。由測試結果，可看出該儀表測量范圍較寬，測量精度較高，能夠滿足物理實驗中電量的測量要求。經實際使用證明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作方便。為了方便電壓表系統(tǒng)與計算機直接通信，還可進一步增加RS 232接口，進行電平轉換，可將測得的數據實時導入計算機中使用。