基于CPLD的數(shù)字電壓表設(shè)計

設(shè)計了基于CPLD的數(shù)字電壓表，采用CPLD器件作為核心處理電路，用單片機進行控制，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是對輸入取樣電壓和基準(zhǔn)電壓進行兩次積分，以獲得與取樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在此時間間隔內(nèi)，用計數(shù)器對CP記數(shù)，計數(shù)器的輸出結(jié)果就是對應(yīng)的數(shù)字量。雙積分A／D有精度高，抗干擾能力強和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，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)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。為實現(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位二進制異步加法計數(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，性價比很高，如圖3所示。

    對比兩種方案的性能，本設(shè)計選用方案二。

2 系統(tǒng)設(shè)計
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。運放采用低溫漂高精度運放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，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)：
   
    對直流信號的放大倍數(shù)為：
  
2．1．2 測量放大器
    測量放大器如圖5所示。AD620為低功耗高精度儀表放大器，其增益為：

   
即可通過調(diào)節(jié)引腳1，8間電阻的大小來調(diào)節(jié)G。
    對于不同大小的信號，單片機通過8選1模擬開關(guān)CD4051來選擇電阻R1，R2，R3，R4的接入，實現(xiàn)不同增益值。將0．1 mV～2 V分為4個量程，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和運放組成，分別對輸入電壓和基準(zhǔn)電壓進行積分，其輸入接AD620輸出。
    (2)檢零比較器：運放反相端接積分器的輸出UA；運放同相端接地。當(dāng)UA<O時，輸出C=1；UA≥O時。C=0。根據(jù)C的值控制計數(shù)是否開始。
    (3)可編程邏輯器件：EPM7128是CPLDMAX7000S系列器件，內(nèi)部帶有存儲器，不需要外接。內(nèi)部為門控開關(guān)、16位計數(shù)器、16位數(shù)據(jù)寄存器和輔助觸發(fā)器。門控開關(guān)控制計數(shù)器開始計數(shù)；計數(shù)器用來對CP脈沖進行計數(shù)，并觸發(fā)輔助觸發(fā)器；寄存器寄存計數(shù)器數(shù)值，等待單片機讀?。惠o助觸發(fā)器通過控制S1來控制對取樣電壓和基準(zhǔn)電壓的積分。單片機通過Vs對CPLD進行控制。
    第1次積分取樣時，Qc=O，控制S1擲向輸入電壓Vi，L=0，控制S2斷開，電容放電。積分輸出電壓為：
   
2．1．4 顯示模塊
    用CAl602A液晶模塊顯示所測電壓值。CAl602A字符型液晶是用5×7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，它微功耗、體積小、帶譯碼和驅(qū)動電路使用方便、人機界面也很直觀，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(見圖8)，數(shù)據(jù)采集(見圖9)，自動校準(zhǔn)(見圖10)，液晶顯示(見圖11)4個子程序。

               

    量程轉(zhuǎn)換：
    BC=01時，1～20 mV檔，放大100倍；
    BC=10時，20～200 mV檔，放大10倍；
    BC=11時，200 mV～2 V檔，放大1倍。

3 系統(tǒng)測試與分析
3．1 測試工具
    測試工具包含GOS-6031 30 MHz雙蹤示波器，Agilent34401A 6位半數(shù)字電壓表。
3．2 測試結(jié)果
3．2．1 積分波形輸出
    經(jīng)測試調(diào)整后未發(fā)現(xiàn)明顯失真。
3．2．2 電壓測量
    采用6位半電壓表進行校準(zhǔn)，結(jié)果如表1所示。

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

4 結(jié)語
    該設(shè)計較好地實現(xiàn)了所要求的功能，從測試結(jié)果看，測量誤差較小、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)計還有需要改進的地方，如可增加自動校零功能等。