基于FPGA的数字电压表设计

基于FPGA数字电压表设计

摘要: 系统基于EDA技术的智能数字电压表实现,以现场可编程门阵列(FPGA)为设计核

心，集成于一片Xilinx公司的SpartanⅡE系列XC2S100E-6PQ208芯片上，在ISE环境下采用超高速硬件描述语言(VHDL)模块化编程,实现了电压的数据采集、转换、处理、显示等功能。本设计的特点在于能够测量的电压范围宽（0~50VDC），主要采用了分压原理,该系统具有集成度高、灵活性强、易于开发和维护等特点。

关键字: FPGA VHDL 数字电压表 AD转换

Abstract:The system according to the EDA technical achieve the digital voltager,It is base on FPGA(Field Programmable Gate Array), adopting VHDL(VHSIC Hardware Description Language) under the under the environment of ISE.most of the designs gather in the Spartan ⅡE series XC2S100E- 6PQ208 chip of the Xilinx company .The whole design is composed of the data processing module, the correspondence choice modulek, the key mold module and the A/D convert module. It can be carry out the function such as conversion, handle and display .It is a characteristic that is the system can be measure the range of the voltage from 0V to 50V ,which mainly adopting the principle in dividing voltage. The system has high accuracy and stability,it is proved to reliable and of high value and feasibility after testing.

Key –word: FPGA VHDL DVM AD conversion

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目 录

1系统设计 .................................................. 3

1.1 控制模块方案的比较 ...................................... 3 1.2 A/D转换方案的比较 ...................................... 4 1.3 显示方案的比较 .......................................... 4 1.4 总体方案设计 ............................................. 5

1.5 系统的基本原理 .......................................... 5

2 单元电路设计 ................................................. 6

2.1 A/D转换部分 ............................................ 6 2.1.1 ADC0809工作原理 ..................................... 6 2.1.2 ADC0809工作时序 ................................ 7

2.1.3 档位控制电路 ........................................ 8

2.2 FPGA功能模块的设计 .................................... 8

2.2.1 码制变换模块 ......................................... 8 2.2.2 显示控制及驱动模块 .................................. 9

3 软件设计 ...................................................... 9

3.1 开发软件及编程语言简介 ............................... 9

3.2 程序流程图 ............................................. 9 4 系统测试 ...................................................... 10

4.1 测试仪器清单 ........................................ 10 4.2 测试及误差计算 ...................................... 10

参考文献 ......................................................... 11 附录1 程序清单 ................................................ 11

1 系统设计

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1.1控制模块方案的比较

方案一：采用3位半数字电压表。

采用此方案电路结构简单，易于实现且易于维护。它的核心器件是一个双积分式A/D转换，双积分式DVM属于V—T变换式，其基本原理是在一个测量周期内，首先将被测电压UX加到积分器的输入端，在确定的时间内进行积分，也称定时积分；然后切断UX，在积分器的输入端加与UX极性相反的电压UR，由于UR一定，所以称为定值积分，但积分方向相反，直到积分输出达到起始电平为止，从而将UX转换成时间间隔进行测量。只要用计数器累计时间间隔内的脉冲数，即为UX之值。其原理方框图如图1.1.1所示。

输入信号 A/D转换 译码驱动 显示器 图1.1.1 3位半电压表原理图

方案二：采用单片机为控制核心。

目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，配合一定的外围电路可实现数字电压表，原理图如图1.1.2所示。输入信号经AD转换器转换后送到单片机进行数据处理，系统根据不同电压信号计算出不同的数值，并将其显示出来。采用这种方案优点是呆以依赖地成熟的单片机技术、运算功能较强、软件编程灵活、自由度大、设计成本也较低，能较准确地测量输入电压。缺点是在传统的单片机设计系统中必须使用许多分立元件组成单片机的外围电路，因此整个系统显得十分复杂，不易于实现。

图1.1.2 单片机控制的数字电压表原理图

方案三：采用FPGA作为系统控制的核心。

现场可编程门阵列(FPGA)将所有器件集成在一块芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路，而且编程灵活、调试方便。

综合上述分析，方案三为本设计最佳选择方案。

1.2 AD转换方案的比较

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方案一：

采用双积分型AD转换器。双积分型A/D转换器的原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值，积分时间常数较大，具有滤波作用，消除了干扰，故双积分A/D转换具有较强的抗干扰能力。缺点是由于积分过程是个缓慢的过程，转换速度慢。 方案二：

采用逐次比较型AD转换。这是目前应用十分广泛的集成ADC，逐次比较型AD转换内部电路由一个比较器、DA转换器、时钟、逐次比较寄存器SAR、输出寄存器和控制逻辑电路等部分组成。具有速度高、功耗低。输出位数多等特点,其原理图如图1.2.1所示。

图1.2.1 逐次比较ADC原理图

经比较，采用逐次比较的A/D转换器

1.3显示器方案的比较

方案一：

采用LED数码管，采用数码管动态显示，数码管具有结构简单、低损耗、寿命长、耐老化、成本低、对外界要求低、易于维护、操作简单，编程简单等优点。但是也有一个明显的缺点，即显示的信息量非常有限，只能显示几个有限的阿拉伯数字与字母,电路图如图1.3.1所示。

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