【正文】 示 ,液晶顯示屏是以若干個 58 或 5 11 點陣塊組成的顯示字符群 ,每個點陣塊為一個字符位 .字符間距的行距都為一個點的寬度 .采用這種液晶顯示功耗低 、 可靠性高 、輕薄短小、 輻射小 、可視面積大， 可以同時顯示 多種信息 。 圖 逐 次比較 ADC 原理圖 經(jīng)比較，采用 逐次比較 的 A/D 轉換器 方案一： 采用 LED數(shù)碼管 ， 采用數(shù)碼管動態(tài)顯 示 ， 數(shù)碼管具有 結構簡單、低損耗、 壽命長、耐老化、成本低、對外界要求低、易于維護、操作簡單，編程簡單等優(yōu)點。 具有 速度高、功耗低。 方案二： 采用逐次比較型 AD 轉換。雙積分型 A/D 轉換器的原理是將輸入電壓轉換成時間（脈沖寬度信號）或頻率（脈沖頻率），然后由定時器 /計數(shù)器獲得數(shù)字值， 積分時間常數(shù)較大，具有濾波作用，消除了干擾，故雙積分 A/D 轉換具有較強的抗干擾能力。 綜合上述分析，方案三為本設計最佳選擇方案。 圖 單片機控制的數(shù)字電壓表原理圖 方案三 ：采用 FPGA作為系統(tǒng)控制的核心。采用這種方案優(yōu)點是呆以依賴地成熟的單片機技術、運算功能較強、軟件編程靈活、自由度大、設計成本也較低，能較準確地測量輸入電壓。 目前單片機技術比較成熟，功能也比較強大，配合一定的外圍電路可實現(xiàn)數(shù)字電壓表，原理 圖如圖 所示。 其原理方框圖如圖 。它的核心器件是一個雙積分式 A/D轉換， 雙積分式 DVM屬于 V— T變換式，其基本原理是在一個測量周期內(nèi)， 首先將 被測電壓 UX加到積分器的輸入端，在確定的時間內(nèi)進行積分，也稱定時積分；然后切斷 UX，在積分器的輸入端加與 UX極性相反的電壓 UR， 由于 UR一定，所以稱為定值積分，但積分方向相反，直到積分輸出達到起始電平為止，從而將 UX轉換成時間間隔進行測量。 關鍵字 : FPGA VHDL 數(shù)字電壓表 AD 轉換 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 of the designs gather in the Spartan Ⅱ E series XC2S100E 6PQ208 chip of the Xilinx pany .The whole design is posed 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 2 目 錄 1 系統(tǒng)設計 .................................................. 3 控 制模塊方案的比較 ..................................... 3 A/D 轉換方案的比較 ..................................... 4 顯示方案的比較 ......................................... 4 總體方案設計 ............................................ 5 系統(tǒng)的基本原理 ......................................... 5 2 單元電路設計 ................................................ 6 A/D 轉換部分 ........................................... 6 ADC0809工作原理 .................................... 6 ADC0809工作時序 ................................ 7 檔位控制電路 ....................................... 8 FPGA 功能模塊的設計 ................................... 8 碼制變換模塊 ........................................ 8 顯示控制及驅動模塊 ................................. 9 3 軟件設計 ..................................................... 9 開發(fā)軟件及編程語言簡介 .............................. 9 程序流程圖 ............................................ 9 4 系統(tǒng)測試 ..................................................... 10 測試儀器清單 ....................................... 10 測試及誤差計算 ..................................... 10 參考文獻 ........................................................ 11 附錄 1 程序清單 ............................................... 11 1 系統(tǒng)設計 3 方案一 ：采用 3位半數(shù)字電壓表。 1 基于 FPGA 數(shù)字電壓表 設計 摘要 : 系統(tǒng)基于 EDA 技術的智能數(shù)字電壓表實現(xiàn) ,以現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)為設計核心，集成于一片 Xilinx公司的 SpartanⅡ E系列 XC2S100E6PQ208 芯片上，在 ISE環(huán)境下采用超高速硬件描述語言 (VHDL)模塊化編程 ,實現(xiàn)了電 壓的數(shù)據(jù)采集、轉換、處理、顯示等功能。本設計的特點在于能夠測量的電壓范圍寬（ 0~50VDC），主要采用了分壓原理 ,該系統(tǒng)具有集成度高、靈活性強、易于開發(fā)和維護等特點。 采用此方案電路結構簡單，易于實現(xiàn)且易于維護。只要用計數(shù)器累計時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，即為 UX之值。 輸入信號 圖 3 位半電壓表原理圖 方案二 ：采用單片機為控制核心。輸入信號經(jīng) AD 轉換器轉換后送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)根據(jù)不同電壓信號計算出不同的數(shù)值，并將其顯示出來。缺點 是在傳統(tǒng)的單片機設計系統(tǒng)中必須使用許多分立元件組成單片機的外圍電路，因此整個系統(tǒng)顯得十分復雜 ，不易于實現(xiàn)。 現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)將所有器件集成在一塊芯 片上，體積大大減小、 邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍 廣 等特點 ， 可實現(xiàn)大規(guī)模 和超大規(guī)模 的 集成 電路 ，而且 編程靈活 、調試方便。 AD轉換方案的比 較 A/D 轉換 譯碼驅動 顯示器 4 方案一： 采用雙積分型 AD 轉換器。缺點是由于積分過程是個緩慢的過程，轉換速度慢。這 是目前應用十分廣泛的集成 ADC，逐次比較型 AD 轉換內(nèi)部電路由一個比較器、 DA轉換器、時鐘、逐次比較寄存器 SAR、輸出寄存器和控制 邏輯電路等部分組成。輸出位數(shù)多 等特點 ,其原理圖如圖 所示。但是也有一個明顯的缺 點，即顯示的信息量非常有 限，只能顯示幾個有限的阿拉伯數(shù)字與字母 ,電路圖如圖 所示。 綜上所述，擬定 第二 種方案 ，即采用 LCD液晶 顯示電壓值 及相關信息 。通過外部的鍵盤可以對系統(tǒng)進行復位控制和顯示檔位選擇，不同的檔位選擇不同的輸入電壓范圍（ 0~ 5~50）。 其內(nèi)部結構圖和引腳圖分別如圖 和 所示。 ADC0809 通過引腳 IN0， IN1，…， IN7 可輸入 8 路單邊模擬輸入電壓。 7 圖 ADC0809 引腳圖 在 ADC0809 片內(nèi)的 256R 電阻 T 型網(wǎng)絡和電子開關樹它相當一個 D/A轉換器。 ADC0809 主要引腳功能如下 : IN0～ IN7:通道 0～ 7 的模擬量輸入 D0～ 7:數(shù)字量輸出 ADDC、 ADDB、 ADDA:通道 (0～ 7)選擇 ALE:通道地址鎖存 ,正脈沖有效 START:啟動信號 ,正脈沖有效 ,上升沿所有寄存器清 0,下降沿開始轉換 EOC:轉換結束 ,高 電平 有效 OE:允許輸出 ,高 民平 有效 ADC0809 的工作時序 ADC0809 的工作時序如圖 所示。當模擬量送至某一輸入端，由 3 位地址信號選擇，而地址信號由 ALE 鎖存； EOC 是轉換情況狀態(tài)信號，當轉換結束后 ,EOC 輸出高電平 ，以示轉換結束；在 EOC 的上升沿后，若使能輸出信號 OE為高電平，則控制打開三態(tài)緩沖器，把轉換好的 8位數(shù)據(jù)結果輸至數(shù)據(jù)總線。 圖 ADC0809 的工作時序圖 8 檔位控制電路 為了增加 DVM 的測量范圍，設計了檔位選擇電路，其主要原理是采用電阻分壓，原理上ADC0809有八路數(shù)據(jù)輸入端口，也就是說可以分為八檔 ，為了簡化設計，只分了兩檔（ 1檔，10檔） 圖 原理圖 圖中的電位器 R25是用來校準的，因為各電阻的值不可能很精確，用電位器來微調校準以保證測量精度。 當輸入電壓范圍為 0~5V時， IN0 導通 ，此時， UI=U26 而當輸入電壓范圍為 5— 50V時， FPGA判斷選擇檔位 ,IN1 導通， 此時 UI=U27 即 UI= 272625 2725 RRR RR ?? ? = 26101U 由于 ADC0809 數(shù)字量輸出為 8 位，數(shù)字量化范圍為 0~255，當輸入電壓為滿量程 5V時，轉換電路對輸入電壓的分辨能力為 FPGA 功能模塊的設計 碼制變換模塊 在此碼制變換模塊 DATA_CONVERSION中主要實現(xiàn)的功能是將 AD0809采樣送來的 8位二進制數(shù)轉換為可被 LCD識別的字符型 LCD碼。 mVV ? 9 顯示控制及驅動模塊 電壓值的顯示可由 LCD 實現(xiàn)。整個電路十分簡潔。 當 ADC0809采樣完成后 ,由 碼字變換 模塊將采樣數(shù)字信號轉換為 LCD可識別的字符型數(shù)據(jù)后，送至 驅動 模塊，再由其驅動 LCD，將字符型數(shù)據(jù)送到 LCD的 D0~D7端，實現(xiàn)顯示。 采用 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Descriptipon Language）超高速集成電路硬件描述語言設計復雜數(shù)字電路的方法具有很多優(yōu)點， VHDL 語言的設計技術齊全、方法靈活、支持廣泛。 VHDL 在描述數(shù)字系統(tǒng)時，可以使用前后一致的語義和語法跨越多層次，并且使用跨越多個級別的混合描述模擬該系統(tǒng)。 流程圖 10 圖 系統(tǒng)程序流程圖 系統(tǒng)測試 測試使用的儀器設備如表 表 序號 名稱 型號 數(shù)量 備注 1 3位半數(shù)字萬用表 UNIT 1 深圳勝利公司 2 直流穩(wěn)壓電源 DF1731SC2A 1 江蘇揚中電子儀器廠 測試及誤差計算 系統(tǒng)的測試主要是測試硬件是否能正常工作，軟件和硬件是否匹配，是否合乎設計的要求。系統(tǒng)的測量結果如表 表 系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)表 序號 標準電壓