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目录第1章引言...............................................................................................11.1设计要求.........................................................................................11.2设计思路.........................................................................................11.2设计方案........................................................................................2第2章硬件电路设计..............................................................................12.1硬件电路框图................................................................................12.2ADC0809模块................................................................................22.3FPGA模块.....................................................................................53.4显示模块.........................................................................................5第3章FPGA功能模块的设计及仿真.....................................................13.1系统软件原理................................................................................13.2采样控制模块................................................................................23.3数据处理模块................................................................................43.4扫描、显示模块............................................................................5总结.............................................................................................................1致谢...........................................................................................................1参考文献.....................................................................................................1源程序:........................................................................................................1邵阳学院课程设计II第1章引言数字电压表(DigitalVoltmeter)简称DVM,是实验中的重要仪表,其数字化是指将连续的模拟电压量转换成不连续、离散的数字量并加以显示。传统的实验用模拟电压表功能单一、精度低、体积大,内部核心多是模/数转换器,其精度很大程度上限制了整个表的准确度,可靠性较差。而应用EDA(电子设汁自动化)技术及FPGA(现场可编程门阵列),其集成度高、速度快、性能十分可靠、用户可自由编程且编程语言通俗易懂、系统功能扩展非常方便。采用FPGA芯片控制通用A/D转换器可使速度、灵活性大大优于由微处理器和通用A/D转换器构成的数字电压表。[1]数字式仪表是能把连续的被测量自动地变成断续的、用数字编码方式的、并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。这是一种新型仪表,它把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起。成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支。1.1设计要求本课题主要研究数字电压表的一般设计原理,并结合新型的可编程逻辑器件(FPGA)设计了一种方便、实用的数字电压表。我主要设计软件那部分。采用ACEX1k30TC144-3的一款FPGA芯片实现电压表的数码显示的功能。设计中所要求设计的数字电压表为4位,由三大部分组成,数据转换模块进行模数转换后到数据处理模块处理得到BCD码转换成能被数码管识别的字型编码,再到显示模块,每一部分又包含了若干子电路,将各电路组合起来,就构成了一个整体。1.2设计思路硬件设计所需的硬件主要有:直流电平输出电路、ADC0809、七段显示器。基于FPGA的数字电压表有三大部分组成,具体分为A/D转换电路、FPGA控制电路和显示电路。电压输入A/D转换器后转化为数字量送入FPGA芯片,经过FPGA的逻辑控制(A/D控制、BCD码转换和扫描显示),最终由LED数码显示结果。邵阳学院课程设计IIADC0809FPGA8.88模拟信号输入采集信号输出CSWRRDINT图1.1硬件结构图1.2设计方案我采用8位A/D转换器ADC0809对模拟电压采样,以一片高性能FPGA芯片为控制核心,以软件实现了诸多硬件功能,对电压信号的转换结果进行准确实时的运算处理并送出显示。系统的主要功能都集成在一块芯片上,大大减少了系统的分立元件数量,降低了功耗,增加了可靠性,较好地实现了电压的精准测量邵阳学院课程设计II第2章硬件电路设计2.1硬件电路框图数字电压表,它是采用数字化测量技术,把连续的模拟量(直流或交流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。通常按A/D转换方式的不同将DVM分成两大类,一类是直接转换型;另一类是间接转换型,又称积分型,包括电压一频率变换。而由前面分析可知本课题的核心电路路由FPGA完成,选用了Altera公司的EPF10K10LC84-4芯片,用VHDL语言对它进行设计,本设计是由三大模块组成,(1)AD转换模块,组要负责将模拟信号转换为数字信号,以便送FPGA处理;(2)FPGA模块,激活A/D转换器动作、接收A/D转换器传递过来的数字转换值,将接收到的转换值调整成对应的数字信号;(3)显示模块,将数据处理模块输出的4位BCD码译成相应7段数码驱功值,使模拟电压值在4个数码管上显示。工作时,系统按一定的速率采集输入的模拟电压,经ADC0809CCN转换为8位数字量,此8位数字量经FPGA处理得到模拟电压的数字码,再输入数码管获得被测电压的数字显示。此电压表的测量范围:0~5V,四位数码管显示。整个数字电压表的硬件结构如3-1图所示[9]。图2.1系统原理图电压输入A/D转换器A/D控制控制核心FPGA扫描显示显示器BCD码转换邵阳学院课程设计II2.2ADC0809模块ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。2.2.1A/D转换器的主要技术指标(1)分辨率分辨率是指A/D转换器能分辨的最小模拟输入量。通常用能转换成的数字量的位数来表示,如8位、10位、12位、16位等。位数越高,分辨率越高。例如,对于8位A/D转换器,当输入电压满刻度为5V时,其输出数字量的变化范围为0~255,转换电路对输入模拟电压的分辨能力为5V/255=19.5mV。(2)转换时间转换时间是A/D转换器完成一次转换所需的时间。转换时间是编程时必须考虑的参数。若CPU采用无条件传送方式输入A/D转换后的数据,则从启动A/D芯片转换开始,到A/D芯片转换结束,需要一定的时间,此时间为延时等待时间,实现延时等待的一段延时程序,要放在启动转换程序之后,此延时等待时间必须大于或等于A/D转换时间。(3)量程量程是指A/D转换器所能转换的输入电压范围。(4)精度精度是指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值。A/D转换电路中与每一个数字量对应的模拟输入量并非是单一的数值,而是一个范围。例如:对满刻度输入电压为5V的12位A/D转换器,==1.22mV,定义为数字量的最小有效位LSB。若理论上输入的模拟量A,产生数字量D,而实际输入模拟量A产生还是数字量D,则称此转换器的精度为0LSB。当模拟电压或还是产生同一数字量D,则称其精度为1/4LSB。目前常用的A/D转换器的精度为1/4~2LSB。实现A/D转换的方法比较多,常见的有计数法、双积分法和逐次逼近法。由于逐次逼近式A/D转换具有速度快,分辨率高等优点,而且采用该法的ADC芯片成本较低,因此在设计中采用该种方式。逐次逼近式A/D转换器的原理如图2所示。它由逐次逼近寄存器、邵阳学院课程设计IID/A转换器、比较器和缓冲寄存器等组成。当启动信号由高电平变为低电平时,逐次逼近寄存器清0,这时,D/A转换器输出电压Vo也为0,当启动信号变为高电平时,转换开始,同时,逐次逼近寄存器进行计数。[10]+_逐次逼近寄存器缓冲寄存器比较器控制电路8位D/A转换器D7D6D5D4D3D2D1D0ViVo启动信号CLK转换结果图2.2逐次逼近式A/D转换逐次逼近寄存器工作时与普通计数器不同,它不是从低位向高位逐一进行计数和进位,而是从最高位开始,通过设置试探值来进行计数。在第一个时钟脉冲到来时,控制电路把最高位送到逐次逼近寄存器,使它的输出为10000000,这个输出数字一出现,D/A转换器的输出电压Vo就成为满量程值的128/255。这时,若VoVi则作为比较器的运算放大器的输出就成为低电平,控制电路据此清除逐次逼近寄存器中的最高位;若VoVi则比较器输出高电平,控制电路使最高位的1保留下来。若最高位被保留下来,则逐次逼近寄存器的内容为10000000,下一个时钟脉冲使次低位D6为1。于是,逐次逼近寄存器的值为11000000,D/A转换器的输出电压Vo到达满量程值的192/255。此后,若VoVi则比较器输出为低电平,从而使次高位域复位;若VoVi则比较器输出为高电平,从而保留次高位为1。重复上述过程,经过N次比较以后,逐次逼近寄存器中得到的值就是转换后的数值。转换结束后,控制电路送出一个低电平作为结束信号,此信号的下降沿将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器,从而得到数字量输出。邵阳学院课程设计II2.2.2ADC0809工作原理(1)ADC0809.芯片介绍ADC0809是CMOS的8位A/D转换器,片内有8路模拟开关,可控制8个模拟量中的一个进入转换器中。ADC0809的分辨率为8位,转换时间约1OOus,含锁存控制的8路多路开关,输出有三态缓冲器控制,单5V电源供电。D7D6D5D4D3D2D1D0UccUREF(+)UREF(—)GNDIN0IN1IN2IN3IN4IN
本文标题:基于FPGA的数字电压表显示设计
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