一種以CPLD為核心處理電路的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了基于CPLD的數(shù)字電壓表，采用CPLD器件作為核心處理電路，用單片機(jī)進(jìn)行控制，能較好地減小外界干擾，提高分辨率。該數(shù)字電壓表能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程，從而可提高數(shù)字電壓表的性能。

　　1 方案論證與比較

　　雙積分A／D是對(duì)輸入取樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，以獲得與取樣電壓平均值成正比的時(shí)間間隔，同時(shí)在此時(shí)間間隔內(nèi)，用計(jì)數(shù)器對(duì)CP記數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。雙積分A／D有精度高，抗干擾能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度較低，因而適用于數(shù)字直流電壓表等精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能，可采用以下兩種方案。

　　1．1 方案一

　　用J-K觸發(fā)器構(gòu)成n位二進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器，并采用下降沿觸發(fā)器FF。但因J-K觸發(fā)器數(shù)目與顯示精度有關(guān)，若顯示精度較高，則所需觸發(fā)器數(shù)目較多，需占大量空間，且易受干擾。若2 V檔的最小分辨率為0．1 mV，則有2／(2n-1)=O．1 mV，n≥15，這里取n=16，如圖2所示。


1．2 方案二

　　采用EDA可編程邏輯器件把16位J-K觸發(fā)器組成的計(jì)數(shù)器和控制電路集成到系統(tǒng)內(nèi)部，不僅可以消除外界干擾，減小測(cè)量誤差，且大大節(jié)省空間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。CPLD使用方便、快捷，性價(jià)比很高，如圖3所示。

　　對(duì)比兩種方案的性能，本設(shè)計(jì)選用方案二。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2．1 硬件部分

　　2．1．1 濾波電路

　　濾波電路采用壓控二階低通濾波器，如圖4所示。運(yùn)放采用低溫漂高精度運(yùn)放OP07，取R1=R2=R=1．592 kΩ，C1=C2=10μF，則f0=10 Hz。

　　傳遞函數(shù)為：

　　當(dāng)Aup<3時(shí)，電路才能正常工作，不產(chǎn)生自激振蕩。令：

　　則電壓放大倍數(shù)：

　　對(duì)直流信號(hào)的放大倍數(shù)為：


2．1．2 測(cè)量放大器

　　測(cè)量放大器如圖5所示。AD620為低功耗高精度儀表放大器，其增益為：

　　即可通過(guò)調(diào)節(jié)引腳1，8間電阻的大小來(lái)調(diào)節(jié)G。

　　對(duì)于不同大小的信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)8選1模擬開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)選擇電阻R1，R2，R3，R4的接入，實(shí)現(xiàn)不同增益值。將0．1 mV～2 V分為4個(gè)量程，即0.1～2 mV，2 mV～20 mV，20～200 mV，200 mV～2 V，分別放大1 000，100，10，1．1倍，則可選R1=49．45 Ω，R2=499 Ω，R3= 5．489 kΩ，R4=494 kΩ。

　　2．1．3 雙積分轉(zhuǎn)換電路

　　雙積分轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

　　(1)積分器：由R，C和運(yùn)放組成，分別對(duì)輸入電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行積分，其輸入接AD620輸出。

　　(2)檢零比較器：運(yùn)放反相端接積分器的輸出UA；運(yùn)放同相端接地。當(dāng)UA

　　(3)可編程邏輯器件：EPM7128是CPLDMAX7000S系列器件，內(nèi)部帶有存儲(chǔ)器，不需要外接。內(nèi)部為門控開(kāi)關(guān)、16位計(jì)數(shù)器、16位數(shù)據(jù)寄存器和輔助觸發(fā)器。門控開(kāi)關(guān)控制計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)器用來(lái)對(duì)CP脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并觸發(fā)輔助觸發(fā)器；寄存器寄存計(jì)數(shù)器數(shù)值，等待單片機(jī)讀??；輔助觸發(fā)器通過(guò)控制S1來(lái)控制對(duì)取樣電壓和基準(zhǔn)電壓的積分。單片機(jī)通過(guò)Vs對(duì)CPLD進(jìn)行控制。

　　第1次積分取樣時(shí)，Qc=O，控制S1擲向輸入電壓Vi，L=0，控制S2斷開(kāi)，電容放電。積分輸出電壓為：


2．1．4 顯示模塊

　　用CAl602A液晶模塊顯示所測(cè)電壓值。CAl602A字符型液晶是用5×7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器，它微功耗、體積小、帶譯碼和驅(qū)動(dòng)電路使用方便、人機(jī)界面也很直觀，如圖6所示。

　　2．2 軟件部分

　　2．2．1 軟件流程圖

　　(1)主程序如圖7所示。


(2)子程序包含量程轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖8)，數(shù)據(jù)采集(見(jiàn)圖9)，自動(dòng)校準(zhǔn)(見(jiàn)圖10)，液晶顯示(見(jiàn)圖11)4個(gè)子程序。

　　量程轉(zhuǎn)換：

　　BC=01時(shí)，1～20 mV檔，放大100倍；

　　BC=10時(shí)，20～200 mV檔，放大10倍；

　　BC=11時(shí)，200 mV～2 V檔，放大1倍。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

　　3．1 測(cè)試工具

　　測(cè)試工具包含GOS-6031 30 MHz雙蹤示波器，Agilent34401A 6位半數(shù)字電壓表。

　　3．2 測(cè)試結(jié)果

　　3．2．1 積分波形輸出

　　經(jīng)測(cè)試調(diào)整后未發(fā)現(xiàn)明顯失真。

　　3．2．2 電壓測(cè)量

　　采用6位半電壓表進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果如表1所示。

　　由以上數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)已完全達(dá)到了誤差小于等于O．05％±5個(gè)字和分辨率為O．1 mV的要求。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　該設(shè)計(jì)較好地實(shí)現(xiàn)了所要求的功能，從測(cè)試結(jié)果看，測(cè)量誤差較小、分辨率較高。由于采用了CPLD在很大程度上減小了環(huán)境干擾。當(dāng)然該設(shè)計(jì)還有需要改進(jìn)的地方，如可增加自動(dòng)校零功能等。