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摘要
本作品是基于FPGA的ADC0809采集控制電路。ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。
Abstract
This work is ADC0809 sampling control circuit based on FPGA. ADC0809 is produced national semiconductor CMOS 8 channel， eight successive approximation A/D analog-to-digital converter. Its internal have A 8 channel multiplex switch， it can according to the address latch signal after decoding， only gate 8 analog input signals of an A/D conversion.
1. 設(shè)計任務(wù)
基于FPGA的ADC0809控制電路設(shè)計，并闡明其控制原理。
2. ADC0809簡介
2.1. ADC0809主要特性
?、?路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。
?、诰哂修D(zhuǎn)換起?？刂贫?。
?、坜D(zhuǎn)換時間為100μs
?、菽M輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。
?、薰ぷ鳒囟确秶鸀?40～＋85攝氏度
⑦低功耗，約15mW
2.2. ADC0809外部特性（引腳功能）
①ADC0809芯片有28條引腳，下面說明各引腳功能。
?、贗N0～IN7：8路模擬量輸入端。
?、跠0~D7：8位數(shù)字量輸出端。
?、蹵DDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路
⑤ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。
⑥START： A／D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。
?、逧OC： A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。
?、郞E：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。
?、酑LK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。
?、釸EF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。
?、佗賄cc：電源，單一＋5V。
?、佗贕ND：地。
2.3. ADC0809工作原理
首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。
3. 理論分析與計算
3.1. 系統(tǒng)設(shè)計原理
圖3-1：系統(tǒng)設(shè)計原理圖
工作原理：FPGA通過控制總線輸入采集端口地址，此地址經(jīng)ADC0809譯碼后選通8路模擬采集輸入口之一。FPGA輸出控制信號使AD的START腳信號出現(xiàn)高電平，上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換。啟動轉(zhuǎn)換之后ADC0809的EOC腳輸出信號變低，指示FPGA AD轉(zhuǎn)換工作正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC腳變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器。當(dāng)FPGA檢測到EOC腳變?yōu)楦唠娖綍r，控制ADC0809的OE腳變?yōu)楦唠娖?，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，再由FPGA存儲起來。
3.2. AD計算分析
?、俎D(zhuǎn)換量程：0~5V
?、诜直媛剩簠⒖茧妷簽?-5V的話，ADC0809為8位AD，則每一位的電壓值為（5-0）/255≈0.0196V
③轉(zhuǎn)換時間： 取決于芯片時鐘頻率，本作品提供給AD的時鐘頻率為500KHZ，按官方資料知道AD轉(zhuǎn)換時間為100μs（時鐘為640KHz時），按此比例算出時鐘為500KHz時的轉(zhuǎn)換時間為130μs；
④采集最高頻率：按130us轉(zhuǎn)換時間來算，依據(jù)實際經(jīng)驗，在一個信號周期內(nèi)采集6~7個點能使信號較好恢復(fù)原狀，則能采集的最高頻率大約為1Khz。
圖4-1：ADC0809硬件電路圖
注意事項：
?、?a target="_blank">電阻R2用于限流，發(fā)光二級管D1用于指示電源是否接通
?、?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容C1、C2用于濾波
③滑動變阻器R1接AD采集輸入口IN3主要用于測試精確AD是否正常工作
?、?a target="_blank">排針用于連接FPGA和方便調(diào)試
?、軦D信號線與FPGA接口直接相連
?、轆D的工作頻率由FPGA分頻直接提供
5. 軟件設(shè)計
5.1. 程序流程圖
圖5-1：程序流程圖
確認(rèn)AD轉(zhuǎn)換完成有三種辦法，分別是定時傳送辦法、查詢方式、中斷方式。本作品采用查詢方式，即查詢EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。
附錄：verilog程序
/*FPGA實現(xiàn)的程序：（verilog）
module AD0809（clk， //脈寬（至少100ns）
rst_n，
EOC， //約100us后EOC變?yōu)楦唠娖睫D(zhuǎn)換結(jié)束
START， //啟動信號，上升沿有效（至少100ns）
OE， //高電平打開三態(tài)緩沖器輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
ALE， //高電平有效，選擇信道口
ADDA， //因為ADDB，ADDC都接地了，這里只有ADDA為變量
DATA， //轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
Clk500k，
DATA_R）;
output START，OE，ALE，ADDA，clk500K;
input EOC，clk500K，rst_n;
input［7:0］ DATA;
output［7:0］ DATA_R;
reg START，OE，ALE，ADDA，clk500K;
reg［7:0］ DATA_R;
reg［4:0］ CS，NS;
Reg［5:0］ counter;
/**********************產(chǎn)生AD時鐘500Khz***********************************/
always @（posedge clk）
begin
if（counter==6‘b11_0010）
begin
Clk500K《=~clk500k;//1000HZ
counter《=6’b0;
end
else
counter《=counter+1‘b1;
End
/****************************編碼*******************************************/
parameter IDLE=5’b00001，START_H=5‘b00010，START_L=5’b00100，CHECK_END=5‘b01000，GET_DATA=5’b10000;
/**********************利用有限狀態(tài)機設(shè)計AD工作流程************************/
always @（posedge clk500K）
case（CS）
IDLE：
NS=START_H;
START_H：
NS=START_L;
START_L：
NS=CHECK_END;
CHECK_END：
if（EOC）
NS=GET_DATA;
else
NS=CHECK_END;
GET_DATA：
NS=IDLE;
default：
NS=IDLE;
endcase
always @（posedge clk500K）
if（！rst_n）
CS《=IDLE;
else
CS《=NS;
always @（posedge clk500K）
case（NS）
IDLE： //停止轉(zhuǎn)換狀態(tài)
begin
OE《=0;
START《=0;
ALE《=0;ADDA《=1;
end
START_H：
begin
OE《=0;
START《=1; //產(chǎn)生啟動信號
ALE《=1;
ADDA《=1;//選擇信道口IN0
end
START_L：
begin
OE《=0;
START《=0;
ALE《=1;//啟動信號脈寬要足夠長，在啟動的時候ALE要一直有效
end
CHECK_END：
begin
OE《=0;
START《=0;
ALE《=0;
end
GET_DATA：
begin
OE《=1; //高電平打開三態(tài)緩沖器輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
DATA_R《=DATA;//提取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
START《=0;
ALE《=0;
end
default：
begin
OE《=0;
START《=0;
ALE《=0;
ADDA《=0;
end
endcase
endmodule
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