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類型分類：: 科普知識(shí)

數(shù)據(jù)分類：: 高壓斷路器

數(shù)字電壓表的VHDL設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布日期：2022-04-27 點(diǎn)擊率：97

　　摘　要：介紹數(shù)字電壓表的組成及工作原理，論述了基于VHDL語(yǔ)言和FPGA芯片的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字電壓表；VHDL語(yǔ)言；FPGA

　　在硬件電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具已成為主要的設(shè)計(jì)手段，而VHDL語(yǔ)言則是EDA的關(guān)鍵技術(shù)之一，它采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，即從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上至下地將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為不同的功能模塊，最后將各功能模塊連接形成頂層模塊，完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)。本文用FPGA芯片和VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字電壓表，舉例說(shuō)明了利用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的過(guò)程。

1系統(tǒng)組成及工作原理
　　整個(gè)數(shù)字電壓表的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)的核心電路由FPGA完成，本設(shè)計(jì)選用了Altera公司的EPlKl00QC208-3芯片，用VHDL語(yǔ)言對(duì)它進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)三大功能模塊：(1)控制模塊，激活A(yù)/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)作、接收A/D轉(zhuǎn)換器傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)字轉(zhuǎn)換值；(2)數(shù)據(jù)處理模塊，將接收到的轉(zhuǎn)換值調(diào)整成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；(3)掃描、顯示模塊，產(chǎn)生數(shù)碼管的片選信號(hào)，并將數(shù)值處理模塊輸出的BCD碼譯成相應(yīng)的7段數(shù)碼驅(qū)動(dòng)值。
　　工作時(shí)，系統(tǒng)按一定的速率采集輸入的模擬電壓，經(jīng)ADC0804轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量，此8位數(shù)字量經(jīng)FPGA處理得到模擬電壓的數(shù)字碼，再輸入數(shù)碼管獲得被測(cè)電壓的數(shù)字顯示。
　　此電壓表的測(cè)量范圍：0～5V，三位數(shù)碼管顯示。

2FPGA功能模塊的設(shè)計(jì)
　　數(shù)字電壓表的三大模塊都是用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的。
2.1控制模塊
　　用狀態(tài)機(jī)作法，產(chǎn)生ADC0804的片選信號(hào)、讀/寫控制信號(hào)，通過(guò)狀態(tài)信號(hào)INTR判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；轉(zhuǎn)換結(jié)束后將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鎖存并輸出。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)處理模塊
　　ADC0804是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的輸出狀態(tài)共有28=256種，如果輸入信號(hào)Vin為0～5V電壓范圍，則每?jī)蓚€(gè)狀態(tài)值為5/(256-1)，約為0.0196V，故測(cè)量分辨率為0.02V。常用測(cè)量方法是：當(dāng)讀取到DB7～DB0轉(zhuǎn)換值是XXH時(shí)，電壓測(cè)量值為U≈XXH×0.02V；考慮到直接使用乘法計(jì)算對(duì)應(yīng)的電壓值將耗用大量的FPGA內(nèi)部組件，本設(shè)計(jì)用查表命令來(lái)得到正確的電壓值。
　　在讀取到ADC0804的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，先用查表指令算出高、低4位的兩個(gè)電壓值，并分別用12位BCD碼表示；接著設(shè)計(jì)12位的BCD碼加法，如果每4位相加結(jié)果超過(guò)9需進(jìn)行加6調(diào)整。這樣得到模擬電壓的BCD碼。

　　本模塊的功能仿真結(jié)果如圖3所示；當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為00010101，通過(guò)查表高4位0001是0.32V，而低4位0101是0.1V，最后的電壓輸出結(jié)果是0.32V+0.1V=0.42V，它的BCD碼表示為000001000010，仿真結(jié)果正確。
2.3掃描、顯示模塊
　　如圖4所示，CLK是掃描時(shí)鐘，其頻率為1kHz，由給定的40MHz時(shí)鐘分頻得到；DATAIN是數(shù)據(jù)處理模塊輸出的電壓值的BCD碼；SEL是數(shù)碼管的片選信號(hào)；POINT是數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)；通過(guò)掃描分別輸出3位電壓值的BCD碼DATAOUT，并通過(guò)DISP將BCD碼譯成相應(yīng)的7段數(shù)碼驅(qū)動(dòng)值，送數(shù)碼管顯示。

3結(jié)束語(yǔ)
　　本文設(shè)計(jì)的VHDL語(yǔ)言程序已在MAXPLUSⅡ工具軟件上進(jìn)行了編譯、仿真和調(diào)試，并通過(guò)編程器下載到了EP1K100QC208-3芯片。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)是正確的，其電壓顯示值誤差沒(méi)有超過(guò)量化臺(tái)階上限(0.02V)。本文給出的設(shè)計(jì)思想也適用于其他基于PLD芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

［1］潘松.EDA技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.
［2］盧毅.VHDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.
［3］林敏.VHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與高層次綜合［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001

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