基于CPLD的高分辨率AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

隨著科技的飛速發(fā)展、高分辨率的數(shù)模混合電路的應(yīng)用不斷深入，電路設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，精度越來越高，所以高精度AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)就成了儀器儀表及各種測(cè)量控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。本系統(tǒng)來源于儀器儀表的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用高精度、低溫漂的優(yōu)質(zhì)模擬、數(shù)字器件，輔以52系列單片機(jī)為控制器，以復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD (Comp lex ProgrammableArrayLogic)為頻率測(cè)試的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、低線性誤差的AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。通過本設(shè)計(jì)掌握高精度、低漂移的高端AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法， CPLD的設(shè)計(jì)，以及52系列單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)及軟件編程。

　　1　系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)16位的VFC式AD轉(zhuǎn)換器，利用積分原理，將輸入電壓(或電流)轉(zhuǎn)換成頻率輸出。采用計(jì)數(shù)頻率高的CPLD器件實(shí)現(xiàn)測(cè)頻，單片機(jī)控制CPLD的測(cè)頻操作和頻率的計(jì)算。

　　用V /F轉(zhuǎn)換器完成AD轉(zhuǎn)換，需要1個(gè)定時(shí)器和2路計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率限制了V /F器件輸出頻率的提高。本設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)頻率更高的CPLD器件和單片機(jī)共同組成測(cè)速模塊， CPLD通用性好，避免了對(duì)于專用器件的依賴，降低了因?qū)Ｓ闷骷．a(chǎn)或出現(xiàn)供貸問題所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的控制。

　　VFC式AD 轉(zhuǎn)換器脈沖頻率與輸入電壓成比例，其精度高、線性度好、轉(zhuǎn)換速度居中、轉(zhuǎn)換位數(shù)與速度可調(diào)、與CPU的連線最少，且增加轉(zhuǎn)換位數(shù)時(shí)不會(huì)增加與CPU的連線，因此， VFC為AD 轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了一種廉價(jià)而有效的解決辦法。

　　系統(tǒng)總體可以劃分為電壓采樣部分、模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)化部分，控制部分。其中電壓采樣部分包括:精密測(cè)試電壓源。模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)化部分包括:電壓放大和偏置，V /F轉(zhuǎn)換模塊，計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。控制部分包括:控制器模塊，鍵盤，顯示模塊，系統(tǒng)原理框如圖1所示。

　　為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別選取了較好的方案實(shí)現(xiàn): ①精密基準(zhǔn)源，精密低溫漂高檔基準(zhǔn)源，分壓;②電壓放大及偏置，運(yùn)算放大器ICL7650; ③V /F轉(zhuǎn)換，采用AD652芯片; ④頻率測(cè)試，采用CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件) ; ⑤控制器，采用凌陽(yáng)的SPEC061A單片機(jī); ⑥顯示，采用液晶屏; ⑦電氣隔離，采用光電耦合，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

圖2　所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖

　　2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1　精密測(cè)試基準(zhǔn)源

　　對(duì)于16位的AD轉(zhuǎn)換器，滿幅度輸入電壓僅為100 mV，如果要測(cè)試它的性能，則需要極高精度和非常低溫漂的基準(zhǔn)源， 電路原理如圖3 所示。

　　AD586是AD公司高精度5 V的基準(zhǔn)電壓源，溫漂低至2 10 - 6 /℃，噪聲為100 nV /Hz，通過固定電阻和可調(diào)電阻進(jìn)行分壓產(chǎn)生0 ～100 mV 的電壓。為了增加電壓的負(fù)載能力，須進(jìn)行電壓跟隨。OPA333是零漂移精密運(yùn)放，漂移最大為0. 05μV /℃。同時(shí)采用兩個(gè)2. 5 V的基準(zhǔn)源LM336以降低電源波動(dòng)的影響。LM336 的輸出電流為10 mA， 可滿足OPA33的需要。分壓用的電阻為指針式10 圈可調(diào)，可以達(dá)到理想的精度。

圖3　基準(zhǔn)源電路原理圖

　　2. 2　電壓的放大及偏置

　　0～100 mV 的電壓不能直接送給V /F 變換AD652，而必須經(jīng)過精密放大和進(jìn)行電位的偏置，這樣才能達(dá)到設(shè)計(jì)的精度。選擇具有斬波穩(wěn)定功能的ICL7650運(yùn)算放大器，它可以提供低的偏置電流(10pA) 、偏置電壓和相對(duì)時(shí)間、溫度的穩(wěn)定性。輸入的0～100 mV電壓經(jīng)過40倍的放大后，產(chǎn)生0～4 V的輸出，因?yàn)锳D652在0 V輸入的情況下，輸出頻率也是0，這樣計(jì)數(shù)得到頻率難以達(dá)到16 位的精度，所以將輸入(0～4 V)的直流偏置設(shè)置為1 V，從而產(chǎn)生1～5 V的輸入信號(hào)送給AD652;運(yùn)放的電阻須選用1 /1 000 精度的，保證了V /F變換的精度。

　　其原理圖如圖4所示。