基于ｃｐｌｄ的數(shù)字電壓表的設(shè)計

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1、基于CPLD的數(shù)字電壓表的設(shè)計【標(biāo)題】基于CPLD的數(shù)字電壓表的設(shè)計【作者】林冬萍【關(guān)鍵詞】數(shù)字電壓表？CPLD?VI1DL【指導(dǎo)老師】賀國權(quán)副教授【專業(yè)】電子信息科學(xué)與技術(shù)【止文】1引言1.1課題研究背景數(shù)字電壓表(DigitalVoltmeter,簡稱DVM)由于其測量速率快、顯示清晰直觀、精度高、測量范圍寬、集成度高、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子和電工測量等領(lǐng)域［1］。數(shù)字直流電壓表是交流電壓表、直流電流表、數(shù)字萬用表的基礎(chǔ)和核心［2］。在數(shù)字直流電壓表的基礎(chǔ)上擴(kuò)展就可以組成交流電壓表、直流電流表、數(shù)字萬用表等儀表。如圖1.1所示，在數(shù)字

2、直流電壓表前端配接相應(yīng)的交流-肓流轉(zhuǎn)換器(AC/DC)、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路(I/V)、電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路(？/V)等，就構(gòu)成了數(shù)字多用表?？梢钥闯?，數(shù)字式多用表的核心是數(shù)字直流電壓表。9■圖1?1?數(shù)字式多用表組成原理數(shù)字電壓表?采用數(shù)字化測量技術(shù)，它是把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字信號處理并加以實現(xiàn)的儀表。傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器件和通用集成邏輯器件來設(shè)計，這樣的設(shè)計不便于系統(tǒng)的修改和升級，缺少靈活性，接線復(fù)雜，體積大、故障率高。另外以單片機(jī)為控制核心的數(shù)字電壓表的設(shè)計所用器件少，使用靈活，得到廣泛應(yīng)用，但是在設(shè)計和調(diào)試的過程中，也出現(xiàn)了一些問

3、題，如工作速度較低，功能修改及調(diào)試都需要硬件電路的支持等，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)調(diào)試的困難。近年來，由于EDA技術(shù)的發(fā)展，采用可編程邏輯器件對數(shù)字電壓表進(jìn)行設(shè)計已成為一種必然。用可編程邏輯器件設(shè)計的數(shù)字電壓表除了能完成數(shù)字邏輯的基本功能之外，更具有系統(tǒng)級設(shè)計的優(yōu)勢，用硬件描述語言決定系統(tǒng)功能，可以在硬件不變的情況下根據(jù)需要修改程序，以更新和擴(kuò)展功能，其靈活性和適應(yīng)性顯著提高⑶。1.2?課題研究簡介數(shù)字電壓表的設(shè)計和開發(fā)，已經(jīng)有多種類型和款式。簡單的數(shù)字電壓表用通用集成邏輯器件[4],功能強(qiáng)的用單片機(jī)作為控制核心[5-6],都取得了較好

4、的效果；但用可編程邏輯器件來設(shè)計數(shù)字電壓表的目前還很少。由于可編程邏輯器件靈活性強(qiáng)，用途廣泛，因此用可編程邏輯器件來設(shè)計數(shù)字電壓表具有實際應(yīng)用價值。本課題以可編程邏輯器件為控制器件，用VHDL語言，設(shè)計出能測量0?5V的直流電壓的數(shù)字電壓表。？2數(shù)字電壓表原理數(shù)字電壓表的組成如圖2.1所示。圖中模擬部分包括量程轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換器和參考電壓，A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，是數(shù)字電壓表的核心。電壓表的主要技術(shù)指標(biāo)如準(zhǔn)確度和分辨力等主要取決于這一部分電路。數(shù)字部分完成邏輯控制（如控制A/D轉(zhuǎn)換器、計數(shù)器、譯碼器，使它們按一定的時序及順序工作）

5、，譯碼（比如將二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)字）和顯示等功能。當(dāng)輸入一差分電壓值？一？，由邏輯控制電路控制量程轉(zhuǎn)換使電壓值在A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（若A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為8位，允許輸入的最大模擬電壓為10V,則模擬電壓值轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的最小分辨率為？，也就是一個碼距LSB=O.04V）,結(jié)果送入計時器并顯示。9■圖2.1數(shù)字電壓表的組成原理框圖數(shù)字電壓表的核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器［7］。A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換過程通過采樣、保持、量化和編碼4個步驟完成。主要技術(shù)參數(shù)有分辨率、轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換速率和相對精度。A/D轉(zhuǎn)

6、換器種類繁多，分類方法不一。按照工作原理可分為計數(shù)式、逐次逼近型、雙積分型和并行A/D轉(zhuǎn)換器幾類；按分辨率可分為二進(jìn)制的4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位（如分辨率為4位即？）；按顯示位數(shù)可分為2位?？位（例如某數(shù)字儀表的最大顯示值為1999,滿量程計數(shù)值為2000,這表明該儀表有3個整數(shù)位，而分?jǐn)?shù)值的分子為1,分母是2,故稱之為?位，讀作三位半，其最高位只能顯示0或1）,共12種；按轉(zhuǎn)換速度可分為低速（轉(zhuǎn)換時間Is）、中速（轉(zhuǎn)換時間1ms）、高速（轉(zhuǎn)換時間？）和超高速轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換時間Ins）；按模擬量輸入方式分單極性ADC、雙極性

7、ADC；按輸出方式可分為并行、串行、串并行等；按輸出是否帶三態(tài)緩沖分為帶可控三態(tài)緩沖ADC、不帶可控三態(tài)緩沖ADC等。當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換器多采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)。雙積分A/D芯片主要用于數(shù)字顯示儀表，逐次逼近比較型多與計算機(jī)系統(tǒng)配用作為接口電路的芯片。3數(shù)字電壓表的設(shè)計原理3.1?數(shù)字電壓表的設(shè)計指標(biāo)數(shù)字電壓表設(shè)計的主要指標(biāo)有測量范圍、分辨率等。數(shù)字電壓表的測量范圍包括顯示位數(shù)、量程劃分和超量程能力。DVM的量程是以基本量程（即A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍）為基礎(chǔ)，通過步進(jìn)分壓器或前置放大器向高低兩端擴(kuò)展?；玖?/p>

8、程通常為IV或10V,也有2V或5V0DVM的位數(shù)，是指能顯示0?9的是個數(shù)碼的位數(shù)。通常術(shù)語中？（三位半、四位半、五位半）中的1/2位，指最高位只能