基于fpga的数控直流恒流源设计

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1、基于FPGA的数控直流恒流源设计苏振宇浪潮电子信息产业股份有限公司引言随着数字电子技术和电子设计自动化的发展，在计量领域、电量和非电量测量的仪表、工业控制系统中会普遍的应用数控直流恒流源。数控直流恒流源与传统稳压电流源相比，具有操作方便、输出电流稳定、精确度高等特点。系统功能简介本文设计的恒流源以FPGA为控制核心，包括FPGA主控模块、键盘输入模块、LCD显示模块、模数转换(ADC)电路、电压-电流(V/I)转换电路和数模转换(DAC)电路。通过键盘设定好期望输出的电流值后，FPGA通过状态机对该设定值进行数字处理，经DAC电路输出电压，再经过V/I转换电路后输出相应

2、的电流值。FPGA通过采样V/I转换电路上串接的采样电阻的电压，计算岀此吋电路的输岀电流值并与设定值进行比较，以控制DAC电路的输岀，从而实现对恒流源的输出电流进行调节，使输出电流能实时与设定值保持一致。该数控直流恒流源具有以下功能：仃)可手动设定输入电流值(范围0、4A),输出电流范围是0~4A,步进lmA;(2)可同时显示电流的设定值和实测值；(3)输岀电流恒定，纹波小；(4)输出电流精度高，与设定值的课差小于ImA。系统总体设计木数控直流恒流源的原理如图1所示，各个模块的功能及釆用的芯片型号介绍如下。1.主控模块采用FPGA作为主控模块，负责控制其他模块的工作，进

3、行数字信号处理等。FPGA作为控制核心，其工作效率关系到系统的效率和稳定性。FPGA选用美国Altera公司CycloneTV系列的EP4CE6E144C8器件，该芯片的I/O引脚为91根,内部RAM为34KB,逻辑单元（LE）6272个。其I0接口及内部资源可以满足该电源系统的设计需求，通过硬件描述语言VHDL设计数字状态机，实现FPGA对各个模块的控制。2.DAC转换电路DAC模块采用TT公司的12位DAC转换器TLV5638,转换精度高，该DAC模块的输出电压是后而V/I转换电路的输入。3.V/I转换电路V/1转换电路由运算放大器和三极管设计实现，其中的运算放大器

4、采用了LM324o4.ADC转换电路ADC模块的作用是对恒流源输出的电流进行实时的采集，转换成数字量后反馈至FPGA,FPGA再调整控制端的电压，从而实现高精度的恒流输出。ADC模块采用了ADI公司的AD977A芯片，16b分辨率，具有精度高，采样准确的优点，实现对恒流源采样电阻两端的电压进行采样，采样电阻选用了阻值受温度影响很小的康铜丝电阻。图1数控直流恒流源的原理框图下载原图5.键盘键盘用于设定输入的电流值及步进值，包括“0、9”、“确认”、“取消”、“步进+”、“步进等14个按键，利用FPGA丰富的10接口可以方便实现键盘功6.LCD显示LCD模块的作用是同时显示

5、电流的设定值和实测值。采用的LCD型号是FYD12864,具有4位/8位并行，2线/3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字体库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128X64,内置8192个16X16点汉字和128个16X8点ASCII字符集。利用LCD模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令，构成了人机交互界面，可以显示8X4行16X16点阵的汉字。7.FPGA配置芯片采用了Altera公司的EPCS4芯片，用于存储FPGA的程序。每次上电后FPGA首先从EPCS4里加载程序。FPGA状态机设计FPGA的状态转换如图2所示，状态机工作过程如下：(1)系

6、统上电复位后进行FPGA配置以及键盘、LCD等外围设备的初始化工作，之后FPGA进入空闲IDLE状态；(2)当有按键按下后，Key_pushdown信号变为高电平，FPGA进入PUSH状态。直到处理完所有的按键状态，All_key_done信号变为高电平，FPGA进入Displayl状态，控制LCD芯片显示设定的由流值；(3)FPGA之后进入DAC状态，根据按键信息配置DAC芯片的寄存器，DAC芯片输岀对应数字信号的模拟电压。数模转换完成后，DAC_done信号变为高电平，FPGA进入ADC转换状态；⑷在ADC状态FPGA控制｝DC芯片把采集到的采样电阻两端的电压值转

7、换为数字信号，当转换完成后，ADC_donc信号变为高电平，FPGA进入Judge状态；(2)在Judge状态FPGA比较采集到的数字信号与之前设定的电流值，如果两者之差△I〈lmA,则进入Display2状态;否则如果厶12lmA再次返回到DAC状态,调整控制端的电压，从而实现高精度的恒流输出；(3)在Display2状态，FPGA控制LCD芯片显示经过反馈后的高精度电流值。FPGA最后进入FINISH状态，至此一次状态机转换流程结束，之后等待下次按键的输入。电源转换模块设计1.DAC转换电路DAC转换电路如图3所示，恒流源的输出电流由