数字电压表课程设计.doc
电子信息工程实验与实训中心课程设计报告题 目：基于FPGA的数字电压表设计系部名称：信息工程学院专业名称：电子信息工程班 级：2009级电子信息工程学号：0学生姓名 ：王伟龙指导教师：陈肇基一、系统设计要求:设计任务与要求：1、能够测量05V之间的直流电压。2、用三个数码管显示被测电压。精确到小数点后两位。二、系统设计方案 （1）.控制部分：采用FPGA为控制核心（2）AD转换部分：采用逐次逼近（比较）型AD转换器ADC0809；（3）显示部分：采用液晶LCD显示系统基本框图如图所示 FPGALCD显示ADC0809译码驱动码制变换档位控制电压输入控制信号按键系统总体框图测量信号（电压信号）送入AD 转换器，控制信号模块发出控制信号，启动A/D的START进行转换，A/D采样得到的数字信号数据在数据处理模块中转换为相应的显示代码,最后经显示译码驱动模块发出控制与驱动信号,推动外部的显示模块(LCD)显示相应的数据。通过外部的键盘可以对系统进行复位控制和显示档位选择，不同的档位选择不同的输入电压范围（05、550）。三、单元电路设计（主要模块设计）3.1 A/D转换部分3.1.1 ADC 0809工作原理 ADC 0809是一种8位ADC，采用CMOS工艺制成的8 位八通道A/D转换器，片内有8路模拟采样开关，可控制8个模拟量中的一个进入转换器中。其内部结构图和引脚图分别如图3.1.1.1和3.1.1.2所示。图3.1.1.1 ADC0809内部结构片内有8路开关、模拟开关的地址锁存与译码电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、三态输出锁存缓冲储存器、定时和控制电路等。 ADC0809通过引脚IN0，IN1，IN7可输入8路单边模拟输入电压。ALE将3位地址线ADDA，ADDB，ADDC进行锁存。图3.1.1.2 ADC0809引脚图在ADC0809片内的256R电阻T型网络和电子开关树它相当一个D/A转换器。它把预测的8位二进制数转换为模拟的电压幅值，送入比较器中与实际电压相比较。ADC0809主要引脚功能如下:IN0IN7:通道07的模拟量输入 D07:数字量输出 ADDC、ADDB、ADDA:通道(07)选择 ALE:通道地址锁存,正脉冲有效 START:启动信号,正脉冲有效,上升沿所有寄存器清0,下降沿开始转换 EOC:转换结束,高电平有效 OE:允许输出,高民平有效3.1.2 ADC0809的工作时序ADC0809的工作时序如图2.1.2.1所示。主要控制信号说明：，START是转换启动信号，高电平有效；ALE是3位通道选择地址（ADDC、ADDB、ADDA）信号的锁存信号。当模拟量送至某一输入端，由3位地址信号选择，而地址信号由ALE锁存；EOC是转换情况状态信号，当转换结束后,EOC输出高电平，以示转换结束；在EOC的上升沿后，若使能输出信号OE为高电平，则控制打开三态缓冲器，把转换好的8位数据结果输至数据总线。 至此ADC0809的一次转换结束。图 3.1.2.1 ADC0809的工作时序图3.1.3档位控制电路 为了增加DVM的测量范围，设计了档位选择电路，其主要原理是采用电阻分压，原理上ADC0809有八路数据输入端口，也就是说可以分为八档，为了简化设计，只分了两档（1档，10档）图3.1.3.1档位控制电路原理图图中的电位器R25是用来校准的，因为各电阻的值不可能很精确，用电位器来微调校准以保证测量精度。ADC0809的输入范围为（05）V.由于档位的切换是通过程序来控制ADC0809各通道的选通来自动实现的，所以只要输入的电压范围超过5V，则档位自动切换到10档,即选通通道IN1。当输入电压范围为05V时，IN0导通，此时，UI=U26 而当输入电压范围为550V时，FPGA判断选择档位,IN1导通，此时 UI=U27即 UI=由于ADC0809数字量输出为8位，数字量化范围为0255，当输入电压为满量程5V时，转换电路对输入电压的分辨能力为 3.2 FPGA功能模块的设计3.2.1码制变换模块在此码制变换模块DATA_CONVERSION中主要实现的功能是将AD0809采样送来的8位二进制数转换为可被LCD识别的字符型LCD码。为了达到这一目的，首先要将8位二进制码变换为BCD码，然后再分别进行转换，得到字符型码，并送入译码显示模块。3.2.2 显示控制及驱动模块电压值的显示可由LCD实现。本系统选用了一块8×5字符型液晶显示模块LMB162ABA实现了低功耗，而且可带单位双排显示，字体美观大方。整个电路十分简洁。系统工作过程首先由 FPGA对ADC0809及LCD进行初始化，然后当有输入信号V i，由FPGA通过接口向ADC0809控制信号控制字，使其对输入的模拟信号进行转换，变为8位的数字信号送到输出端，由FPGA经过码制变换等处理后，再通过与LCD的接口驱动并发送数据。当ADC0809采样完成后,由码字变换模块将采样数字信号转换为LCD可识别的字符型数据后，送至驱动模块，再由其驱动LCD，将字符型数据送到LCD的D0D7端，实现显示。图3.2.1 系统程序流程图四、系统测试4.1测试仪器清单测试使用的仪器设备如表4.1.1所示表4.1.1测试使用的仪器设备序号名称型号数量备注13位半数字万用表UNI-T58 1深圳胜利公司 2直流稳压电源DF1731SC2A 1江苏扬中电子仪器厂4.2测试及误差计算 系统的测试主要是测试硬件是否能正常工作，软件和硬件是否匹配，是否合乎设计的要求。在频率测试过程中，系统的测量范围系统的精度是两个较重要的指标。系统的测量结果如表4.2.1所示表4.2.1 系统测量数据表序号标准电压值(U/V)测量电压值（Ux/V）误差（V）10.250.260.0121.021.040.0231.921.930.0142.752.760.0154.154.160.0166.356.370.02710.2010.220.02820.5020.510.01940.5040.520.021048.648.620.02由数据对比可以看出，在O5 V档位上，该数字电压表的误差基本在O01 V内。在O50 V档位上，误差有所增大，但也控制在O02 V以内，体现了ADC0809的转换精度，电路整体设计合理可靠。至于O02 V以内的偏差，可修改程序，采用软件的方法进行数据校正，也可以进一步校正AD的基准电压。五、小结与体会体会：硬件描述语言VHDL是EDA技术的重要组成部分。VHDL在现在EDA技术中使用最多，也得到了大部分主流以利用软件EDA工具的支持。VHDL不仅可以作为系统模拟的建模工具，而且，可以作为电路系统的设计工具，可以利用软件工具将VHDL源码自动地转化为文本方式表达的基本逻辑原件连接图，即网表文件。VHDL语法比较严谨，通过EDA工具自动语法检查，易排除许多设计中的疏忽。VHDL有很好的行为级描述能力和一定的系统级描述能力。通过实验基本掌握了用Quartus II进行工程设计的步骤：、新建项目：File->New->Vhdl File、编译 查看 图形、建立一个仿真测试的矢量波形文件：File->New、设置仿真processing->simulater tools->fanctional->start->report、仿真：建立波形文件file->new->other files->vector->ok加入仿真节点：虚框->node finder->fiter->pins all 编辑波形processing->simulater tool ->fanctional->generale->start、分配引脚及编程下载六、参考文献 1潘松,黄继业.EDA实用教程.北京.科学出版社.2002年10月第一版2黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京:电子工业出版式社.2005年1月第1版；3高吉祥，数字电子技术北京:电子工业出版社，2003年8谭浩强月第1版；
