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設計了基于CPLD的數字電壓表，采用CPLD器件作為核心處理電路，用單片機進(jìn)行控制，能較好地減小外界干擾，提高分辨率。該數字電壓表能夠自動(dòng)轉換量程，從而可提高數字電壓表的性能。 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(shí)間間隔，同時(shí)在此時(shí)間間隔內，用計數器對CP記數，計數器的輸出結果就是對應的數字量。雙積分A／D有精度高，抗干擾能力強和穩定性好的優(yōu)點(diǎn)，但轉換速度較低，因而適用于數字直流電壓表等精度較高而轉換速度要求不高的儀器。設計的系統框圖如圖1所示。為實(shí)現該系統功能，可采用以下兩種方案。 1．1 方案一 用J-K觸發(fā)器構成n位二進(jìn)制異步加法計數器，并采用下降沿觸發(fā)器FF。但因J-K觸發(fā)器數目與顯示精度有關(guān)，若顯示精度較高，則所需觸發(fā)器數目較多，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。 1．2 方案二 采用EDA可編程邏輯器件把16位J-K觸發(fā)器組成的計數器和控制電路集成到系統內部，不僅可以消除外界干擾，減小測量誤差，且大大節省空間，提高系統的響應速度。CPLD使用方便、快捷，性?xún)r(jià)比很高，如圖3所示。 對比兩種方案的性能，本設計選用方案二。 2 系統設計 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。 傳遞函數為： 當Aup＜3時(shí)，電路才能正常工作，不產(chǎn)生自激振蕩。令： 則電壓放大倍數： 對直流信號的放大倍數為： 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： 即可通過(guò)調節引腳1，8間電阻的大小來(lái)調節G。 對于不同大小的信號，單片機通過(guò)8選1模擬開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)選擇電阻R1，R2，R3，R4的接入，實(shí)現不同增益值。將0．1 mV～2 V分為4個(gè)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 雙積分轉換電路 雙積分轉換電路如圖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UA＜O時(shí)，輸出C=1；UA≥O時(shí)。C=0。根據C的值控制計數是否開(kāi)始。 (3)可編程邏輯器件：EPM7128是CPLDMAX7000S系列器件，內部帶有存儲器，不需要外接。內部為門(mén)控開(kāi)關(guān)、16位計數器、16位數據寄存器和輔助觸發(fā)器。門(mén)控開(kāi)關(guān)控制計數器開(kāi)始計數；計數器用來(lái)對CP脈沖進(jìn)行計數，并觸發(fā)輔助觸發(fā)器；寄存器寄存計數器數值，等待單片機讀��；輔助觸發(fā)器通過(guò)控制S1來(lái)控制對取樣電壓和基準電壓的積分。單片機通過(guò)Vs對CPLD進(jìn)行控制。 第1次積分取樣時(shí)，Qc=O，控制S1擲向輸入電壓Vi，L=0，控制S2斷開(kāi)，電容放電。積分輸出電壓為： 2．1．4 顯示模塊 用CAl602A液晶模塊顯示所測電壓值。CAl602A字符型液晶是用5×7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器，它微功耗、體積小、帶譯碼和驅動(dòng)電路使用方便、人機界面也很直觀(guān)，如圖6所示。 2．2 軟件部分 2．2．1 軟件流程圖 (1)主程序如圖7所示。 (2)子程序包含量程轉換(見(jiàn)圖8)，數據采集(見(jiàn)圖9)，自動(dòng)校準(見(jiàn)圖10)，液晶顯示(見(jiàn)圖11)4個(gè)子程序。 量程轉換： BC=01時(shí)，1～20 mV檔，放大100倍； BC=10時(shí)，20～200 mV檔，放大10倍； BC=11時(shí)，200 mV～2 V檔，放大1倍。 3 系統測試與分析 3．1 測試工具 測試工具包含GOS-6031 30 MHz雙蹤示波器，Agilent34401A 6位半數字電壓表。 3．2 測試結果 3．2．1 積分波形輸出 經(jīng)測試調整后未發(fā)現明顯失真。 3．2．2 電壓測量 采用6位半電壓表進(jìn)行校準，結果如表1所示。 由以上數據可以看出，設計已完全達到了誤差小于等于O．05％±5個(gè)字和分辨率為O．1 mV的要求。 4 結語(yǔ) 該設計較好地實(shí)現了所要求的功能，從測試結果看，測量誤差較小、分辨率較高。由于采用了CPLD在很大程度上減小了環(huán)境干擾。當然該設計還有需要改進(jìn)的地方，如可增加自動(dòng)校零功能等。 |
