CPLD器件制作的數(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(jī)進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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。

CPLD器件制作的數(shù)字電壓表設(shè)計

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。

CPLD器件制作的數(shù)字電壓表設(shè)計

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。

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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：

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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(jī)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(jìn)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

（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(jìn)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(jī)讀??；輔助觸發(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(jī)通過Vs對CPLD進(jìn)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：

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