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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行兩次積分，以獲得與取樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在此時間間隔內，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點，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觸發器構成n位二進制異步加法計數器，并采用下降沿觸發器FF。但因J-K觸發器數目與顯示精度有關，若顯示精度較高，則所需觸發器數目較多，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，性價比很高，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，電路才能正常工作，不產生自激振蕩。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： 即可通過調節引腳1，8間電阻的大小來調節G。 對于不同大小的信號，單片機通過8選1模擬開關CD4051來選擇電阻R1，R2，R3，R4的接入，實現不同增益值。將0．1 mV～2 V分為4個量程，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，輸出C=1；UA≥O時。C=0。根據C的值控制計數是否開始。 (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。內部為門控開關、16位計數器、16位數據寄存器和輔助觸發器。門控開關控制計數器開始計數；計數器用來對CP脈沖進行計數，并觸發輔助觸發器；寄存器寄存計數器數值，等待單片機讀取；輔助觸發器通過控制S1來控制對取樣電壓和基準電壓的積分。單片機通過Vs對CPLD進行控制。 第1次積分取樣時，Qc=O，控制S1擲向輸入電壓Vi，L=0，控制S2斷開，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點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，它微功耗、體積小、帶譯碼和驅動電路使用方便、人機界面也很直觀，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(見圖8)，數據采集(見圖9)，自動校準(見圖10)，液晶顯示(見圖11)4個子程序。 量程轉換： BC=01時，1～20 mV檔，放大100倍； BC=10時，20～200 mV檔，放大10倍； BC=11時，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 經測試調整后未發現明顯失真。 3．2．2 電壓測量 采用6位半電壓表進行校準，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個字和分辨率為O．1 mV的要求。 4 結語 該設計較好地實現了所要求的功能，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境干擾。當然該設計還有需要改進的地方，如可增加自動校零功能等。 |
