基于FPGA的新型数字电压表设计

基于FPGA的新型数字电压表设计
作者：边晶莹李晓峰李平周
资料来源：现代电子技术，第06, 2022期
摘要:准确可靠的电压测量在大学物理教学中具有重要意义。

在研究目前主流电压表
设计方案的基础上,提出一种基于fpga技术的新型数字电压表的设计方法,极大地增强了
系统集成度和电路可靠性。

以altera公司高性价比的
以II系列ep2c5t144芯片为控制核心
较高性能的模/数转换器为信号采集芯片,完成电压数据的采集、转换、处理、显示,
并实现了档位的自动转换和较宽的测量范围。

详细讨论仪表关键电路的设计思路以及关键
算法的实现步骤。

测试结果表明,该仪表测量误差不大于0.02v,具有较高的测量精度,满足教学实验中的电压测量要求。

关键词：数字电压表；自动换档；测量误差；FPGA中图形的分类编号
文献标识码:a
物品编号：1004-373x（2022）06-185-04
designofnewdigitalvoltmeterbasedonfpgabianjingying,lixiaofeng,lipingzhou
席席理，西安西安，中国，710071
abstract:ithasgreatsignificanceofaccurateandreliablevoltagemeasurementinuniver sity
关键词：数字电压表；自动开关；测量恐怖；fpga
数字电压表是大学物理教学和实验中的重要仪表,其数字化是指将连续的模拟电压量
转换成不连续、离散的数字量并加以显示[1]。

传统的实验用模拟电压表功能单一、精度低、体积大,且存在读数时的视差,长时间连续使用易引起视觉疲劳,使用中存在诸多不便。

而目前数字万用表的内部核心多是模/数转换器,其精度很大程度上限制了整个表的准确度,可靠性较差。

本文
采用美国国家半导体公司性能优越的8位A/D转换器ADC0809对模拟电压进行采样，
以实现高性能
芯片[4]为控制核心,以软件实现了诸多硬件功能,对电压信号的转换结果进行准
确认后发送操作处理和显示。

系统的主要功能集成在一个芯片上，大大减少了系统的
分立元件数量，降低了功耗，提高了可靠性，更好地实现了电压的精确测量。

1.设计方案
比较
采用双积分式模/数转换器为核心器件,称为双积分式电压表[5]。

在一个测量周期内,
将被测电压端加与从而将空间。

此外，系统采用单片机作为控制核心。

输入信号经模数转换后送入单片机进行数据处理。

根据不同的电压信号计算不同的值并发送到显示器。

该方案具有单片机技术成熟、操
作功能强、编程灵活、设计成本低、输入电压测量更准确等优点。

然而，在单片机系统中，必须使用许多分立元件来构成其外围电路[8]。

整个系统非常复杂，可靠性低，抗干扰能
力差，功耗高。

采用现场可编程门阵列即fpga为系统核心,是当今电子产品设计的热门发展方向[9]。

系统最大限度地将所有器件集成在fpga芯片上,体积大大减小、集成度高,可靠性高。

而
且逻辑单元控制灵活、适用范围极广,实现了大规模和超大规模电路的集成。

其硬件功能
完全由软件编程实现,修改调试方便,在不改变原有电路的基础上便可实现系统升级。

较好
地克服了另外两种方案的缺陷,具有自己独特的优势。

综合上述分析,采用fpga技术,优势
明显。

2系统工作原理
首先，测量的电压信号进入A/D转换器。

FPGA中的控制信号模块发出控制信号，启动
A/D转换器进行转换。

采样的数字信号数据在相应的代码转换模块中转换为显示代码。

最后，解码驱动模块发出显示控制和驱动信号，驱动外部LCD模块显示相应的数据。

通过外
部键盘，可以手动执行系统的复位控制和档位选择。

不同的档位决定不同的电压输入范围，并在程序中实现自动转换。

基本工作原理框图如图1所示。

图1系统工作原理3关键电路
设计3.1a/d转换电路
加到积分器的输入端,在确定的时间内进行积分。

然后切断输入电压,在积分器的输入
极性相反的电压u,进行定值积分,但积分方向相反,直到积分输出达到起始电平为止,转换
成时间间隔量进行测量。

只要用计数器累计时间间隔内的脉冲数,即为
属于
值。

电路简单,便于维护。

但电压表的测量精度完全受限于模/数转换的精度。

而且系
统无升级。