基于ｃｐｌｄ的数字电压表的设计

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1、基于CPLD的数字电压表的设计【标题】基于CPLD的数字电压表的设计【作者】林冬萍【关键词】数字电压表？CPLD?VI1DL【指导老师】贺国权副教授【专业】电子信息科学与技术【止文】1引言1.1课题研究背景数字电压表(DigitalVoltmeter,简称DVM)由于其测量速率快、显示清晰直观、精度高、测量范围宽、集成度高、微功耗等优点，广泛应用于电子和电工测量等领域［1］。数字直流电压表是交流电压表、直流电流表、数字万用表的基础和核心［2］。在数字直流电压表的基础上扩展就可以组成交流电压表、直流电流表、数字万用表等仪表。如图1.1所示，在数字

2、直流电压表前端配接相应的交流-肓流转换器(AC/DC)、电流-电压转换电路(I/V)、电阻-电压转换电路(？/V)等，就构成了数字多用表。可以看出，数字式多用表的核心是数字直流电压表。9■图1・1?数字式多用表组成原理数字电压表?采用数字化测量技术，它是把连续的模拟量转换数字信号处理并加以实现的仪表。传统的数字电压表采用模数转换器件和通用集成逻辑器件来设计，这样的设计不便于系统的修改和升级，缺少灵活性，接线复杂，体积大、故障率高。另外以单片机为控制核心的数字电压表的设计所用器件少，使用灵活，得到广泛应用，但是在设计和调试的过程中，也出现了一些问

3、题，如工作速度较低，功能修改及调试都需要硬件电路的支持等，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。近年来，由于EDA技术的发展，采用可编程逻辑器件对数字电压表进行设计已成为一种必然。用可编程逻辑器件设计的数字电压表除了能完成数字逻辑的基本功能之外，更具有系统级设计的优势，用硬件描述语言决定系统功能，可以在硬件不变的情况下根据需要修改程序，以更新和扩展功能，其灵活性和适应性显著提高⑶。1.2?课题研究简介数字电压表的设计和开发，已经有多种类型和款式。简单的数字电压表用通用集成逻辑器件[4],功能强的用单片机作为控制核心[5-6],都取得了较好

4、的效果；但用可编程逻辑器件来设计数字电压表的目前还很少。由于可编程逻辑器件灵活性强，用途广泛，因此用可编程逻辑器件來设计数字电压表具有实际应用价值。本课题以可编程逻辑器件为控制器件，用VHDL语言，设计出能测量0〜5V的直流电压的数字电压表。？2数字电压表原理数字电压表的组成如图2.1所示。图中模拟部分包括量程转换、A/D转换器和参考电压，A/D转换器完成模拟量到数字量的转换，是数字电压表的核心。电压表的主要技术指标如准确度和分辨力等主要取决于这一部分电路。数字部分完成逻辑控制（如控制A/D转换器、计数器、译码器，使它们按一定的时序及顺序工作）

5、，译码（比如将二进制数字转换成十进制数字）和显示等功能。当输入一差分电压值？一？，由逻辑控制电路控制量程转换使电压值在A/D转换器的转换范围内并转换成数字量（若A/D转换器的位数为8位，允许输入的最大模拟电压为10V,则模拟电压值转换后的数字量的最小分辨率为？，也就是一个码距LSB=O.04V）,结果送入计时器并显示。9■图2.1数字电压表的组成原理框图数字电压表的核心部件是A/D转换器［7］。A/D转换器用于将模拟量转换成相应的数字量，转换过程通过采样、保持、量化和编码4个步骤完成。主要技术参数有分辨率、转换时间、转换速率和相对精度。A/D转

6、换器种类繁多，分类方法不一。按照工作原理可分为计数式、逐次逼近型、双积分型和并行A/D转换器几类；按分辨率可分为二进制的4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位（如分辨率为4位即？）；按显示位数可分为2位〜？位（例如某数字仪表的最大显示值为1999,满量程计数值为2000,这表明该仪表有3个整数位，而分数值的分子为1,分母是2,故称之为?位，读作三位半，其最高位只能显示0或1）,共12种；按转换速度可分为低速（转换时间Is）、中速（转换时间1ms）、高速（转换时间？）和超高速转换（转换时间Ins）；按模拟量输入方式分单极性ADC、双极性

7、ADC；按输出方式可分为并行、串行、串并行等；按输出是否带三态缓冲分为带可控三态缓冲ADC、不带可控三态缓冲ADC等。当前A/D转换器多采用双积分型A/D转换器与逐次逼近比较型A/D转换器的电路结构。双积分A/D芯片主要用于数字显示仪表，逐次逼近比较型多与计算机系统配用作为接口电路的芯片。3数字电压表的设计原理3.1?数字电压表的设计指标数字电压表设计的主要指标有测量范围、分辨率等。数字电压表的测量范围包括显示位数、量程划分和超量程能力。DVM的量程是以基本量程（即A/D转换器的电压范围）为基础，通过步进分压器或前置放大器向高低两端扩展。基木量

8、程通常为IV或10V,也有2V或5V0DVM的位数，是指能显示0〜9的是个数码的位数。通常术语中？（三位半、四位半、五位半）中的1/2位，指最高位只能