基于FPGA的新型數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)

該電壓表電路中，ADC0809的工作時(shí)序如圖4所示。主要控制信號(hào)：START是轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，高電平有效；ALE是3位通道選擇地址(ADDC，ADDB，ADDA)信號(hào)的鎖存信號(hào)。當(dāng)模擬量送至某一輸入端，由3位地址信號(hào)進(jìn)行選擇，而地址信號(hào)由ALE鎖存；EOC是檔位轉(zhuǎn)換的狀態(tài)信號(hào)。EOC輸出高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；在EOC的上升沿后，若使能輸出信號(hào)OE為高電平，則三態(tài)緩沖器打開，將轉(zhuǎn)換完畢的8位數(shù)據(jù)結(jié)果輸至數(shù)據(jù)總線，至此ADC0809的一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。
3．2 檔位轉(zhuǎn)換電路
為了增加數(shù)字電壓表的測量范圍，設(shè)計(jì)了檔位選擇電路。采用精密電阻分壓方法，簡潔實(shí)用。ADC0809有8路數(shù)據(jù)輸入端口，原理上可以分為8個(gè)檔位。從實(shí)用性出發(fā)，只分了兩檔，如圖5所示。圖5中電位器負(fù)責(zé)電阻校準(zhǔn)。盡管采用精密電阻，各電阻值的制造誤差不可避免，用電位器來微調(diào)校準(zhǔn)以保證測量精度。ADC0809的輸入范圍為0～5 V，檔位的切換是通過程序來控制ADC0809各個(gè)通道的選通來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。只要輸入的電壓范圍超過5 V，則檔位自動(dòng)切換到另一檔，即選通通道INl。

當(dāng)輸入電壓范圍為O～5 V時(shí)，INO導(dǎo)通。此時(shí)U=U26，當(dāng)輸入電壓范圍為5～50 V時(shí)，FPGA判斷選擇檔位，INl導(dǎo)通。此時(shí)有U=U27即U=(R1+R3)／(R1+R2+R3)=U26／10。
由于ADC0809數(shù)字量輸出為8位，數(shù)字量化范圍為0～255，當(dāng)輸入電壓為滿量程5 V時(shí)，轉(zhuǎn)換電路對輸入電壓的分辨能力為：

3．3 FPGA內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)
(1)碼制轉(zhuǎn)換模塊。在此碼制變換模塊DATA_CONVERSION功能是將AD0809采樣送來的8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為可被LCD識(shí)別的字符型LCD碼。首先，將8位二進(jìn)制碼變換為BCD碼；然后，再分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到字符型碼，并送入譯碼顯示模塊。
(2)譯碼驅(qū)動(dòng)模塊。數(shù)字電壓值的顯示由LCD實(shí)現(xiàn)。選用了HY系列字符型液晶顯示模塊HD44780。實(shí)現(xiàn)了低功耗，而且可帶單位雙排顯示，字體美觀大方。
整個(gè)電路十分簡潔。系統(tǒng)工作過程：FPGA芯片EP2C5T144對ADC0809及LCD進(jìn)行初始化。當(dāng)有輸入信號(hào)Vi時(shí)，由FPGA向ADC0809傳送控制信號(hào)控制字，使其對輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)?位的數(shù)字信號(hào)并送到輸出端。由FPGA經(jīng)過碼制變換等處理后，再通過LCD的接口驅(qū)動(dòng)，向其發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)ADC0809采樣完成后，F(xiàn)PGA中的碼字轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為LCD可識(shí)別的字符型數(shù)據(jù)，然后送至驅(qū)動(dòng)模塊，由其驅(qū)動(dòng)LCD，將字符型數(shù)據(jù)送到LCD的DO～D7端，實(shí)現(xiàn)顯示。

4 關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)
4．1 檔位自動(dòng)切換算法
將數(shù)字電壓表分為兩個(gè)檔位，分別是0～5 V，0～50 V。檔位切換算法如下：
設(shè)定初始量程為0～5 V。采集100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對輸入信號(hào)Vi的采樣值取絕對值的最大值，將其作為Vi的最大值的估計(jì)值。如果Vi的最大絕對值估計(jì)值小于5 V，則將檔位切換到O～5 V，否則，切換到0～50 V。
4．2 信號(hào)采樣周期自調(diào)整算法
為協(xié)調(diào)好數(shù)據(jù)精度和系統(tǒng)負(fù)擔(dān)兩者之間的關(guān)系，對于疊加周期信號(hào)的輸入信號(hào)Vi，規(guī)定單個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集不少于8個(gè)點(diǎn)，因此要對AD0809的采樣周期進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。這里使用過零點(diǎn)檢測的方法，如果疊加信號(hào)的周期在0～25 Hz范圍內(nèi)，采樣周期為5 ms。疊加信號(hào)周期在25～50 Hz時(shí)，采樣周期為2 ms；疊加信號(hào)周期在50～100 Hz時(shí)，采樣周期為1 ms。
設(shè)采樣周期的初始值為2 ms，采樣數(shù)為100點(diǎn)。則有：首先采集100個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，作為輸入信號(hào)Vi的均估值(平均值的估計(jì)值)；再采集100個(gè)數(shù)據(jù)，與Vi的均估值進(jìn)行比較，計(jì)算過零點(diǎn)的數(shù)量并統(tǒng)計(jì)；根據(jù)此數(shù)量，調(diào)整采樣周期，當(dāng)此數(shù)量大于20時(shí)，令采樣周期為1 ms。當(dāng)此數(shù)量不大于10時(shí)，令采樣周期為5 ms。其他令采樣周期為2 ms。
4．3 檢測疊加信號(hào)周期算法
依舊采用檢測過零點(diǎn)的數(shù)目來檢測周期。
設(shè)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)為1O0個(gè)，計(jì)算均值，作為輸入信號(hào)Vi的均估值；再采集數(shù)據(jù)，與Vi的均估值進(jìn)行比較，計(jì)算過零點(diǎn)的數(shù)量并統(tǒng)計(jì)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)每個(gè)數(shù)據(jù)過零點(diǎn)的時(shí)刻；檢測到三個(gè)過零點(diǎn)時(shí)，判斷其是否符合均勻分布，判斷是否檢測到一個(gè)周期。若檢測到一個(gè)周期，則停止檢測并計(jì)算此周期，否則繼續(xù)檢測。若檢測到相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，過零點(diǎn)數(shù)量仍小于3個(gè)，則認(rèn)為輸入信號(hào)為直流信號(hào)。

5 程序流程
程序流程如圖6所示。

6 測試結(jié)果分析
采用高精度數(shù)字多用表UT88B輸出值作為標(biāo)準(zhǔn)值。由表1所示。

由數(shù)據(jù)對比可以看出，在O～5 V檔位上，該數(shù)字電壓表的誤差基本在O．01 V內(nèi)。在O～50 V檔位上，誤差有所增大，但也控制在O．02 V以內(nèi)，體現(xiàn)了ADC0809的轉(zhuǎn)換精度，電路整體設(shè)計(jì)合理可靠。至于O．02 V以內(nèi)的偏差，可修改程序，采用軟件的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，也可以進(jìn)一步校正A／D的基準(zhǔn)電壓。

7 結(jié)語
利用現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)，設(shè)計(jì)了該新型數(shù)字式電壓表。用軟件替代諸多硬件，在一塊高性能FPGA芯片上，實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)序的控制、檔位的判斷選擇、碼制的轉(zhuǎn)換和LCD驅(qū)動(dòng)，極大地提高了系統(tǒng)集成度和可靠性。文中重點(diǎn)介紹了檔位電路和FPGA內(nèi)部模塊的設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵算法的實(shí)現(xiàn)步驟。由測試結(jié)果，可看出該儀表測量范圍較寬，測量精度較高，能夠滿足物理實(shí)驗(yàn)中電量的測量要求。經(jīng)實(shí)際使用證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便。為了方便電壓表系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)直接通信，還可進(jìn)一步增加RS 232接口，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可將測得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中使用。