数字电压表设计与仿真

文献综述

一、引言

数字仪表是把连续的被测量模拟量自动地变成断续的、用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种测量仪表。这是一种新型仪表，它把电子技术、计算机技术、自动化技术与精密电测量技术密切得结合在一起，成为仪器仪表领域中一个独立的分支。

数字仪表的种类很多，应用场合各不相同，其内部结构也相差很大。根据仪表的用途（即被测量的性质）分为：数字电压表、数字电阻表、数字电流表、数字功率表、数字Q（品质因素）表、数字静电计、数字电桥及电子计数器等。经过适当变换，还可以制成测量多种非电量的仪表，如数字温度表、数字转速表、数字位移表、数字钟、数字秤、数字测厚仪及数字高斯计等，还有许多其他数字式测量仪器和测量装置。

在各种数字仪表中，数字电压表的用途居于较为突出的地位，它不但用来测量各种电量，而且还广泛用来进行各种非电量的电测量，同时在实现工业自动化，生产过程的自动控制以及测量本身的自动化等方面，都起着很重要的作用。

数字电压表(DVM)是一个具有数字显示功能的多量程仪表，它是测量仪表(可测量电压、电流和电阻)中最常用的一个测试功能项、一旦测量仪表的范围和方式选定，即可测量直流信号(DC)也可测量交流信号(AC)的参数。有些数字表的设计是由电池驱动且可携带，而另外一些是基于主机（计算机）驱动且由磁盘安装的。数字式仪表与模拟式仪表相比，使用零件少，集成度高，稳定性和可靠性相对较高，输入阻抗高，提高了测量精度。

数字电压表的设计通常以ASIC芯片为控制核心，在A/D转换器、显示器等外围器件的配合下工作。A/D转换器在控制核心ASIC所提供的时序信号作用下，对输入模拟信号进行转换，制核心再对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。这种设计方法的缺陷是：控制核心的灵活性不高，系统功能难以更新和扩展。如果用可编程逻辑器件FPGA代替ASIC芯片，用硬件描述语言决定系统功能，就可在硬件不变的情况下修改程序以更新和扩展功能，使其灵活性和适应性显著提高。本文基于此考虑，用FPGA代替ASIC设计了一个简易数字电压表控制电路，旨在研究可编程逻辑器件在仪器仪表设计领域的应

用。

在硬件电子电路设计领域中。电子设计自动化(EDA)工具已成为主要的设计手段，而VHDL语言则是EDA的关键技术之一，它采用“自顶向下”的设计方法，即从系统总体要求出发，自上至下地将设计任务分解为不同的功能模块，最后将各功能模块连接形成顶层模块，完成系统硬件的整体设计。本文用FPGA芯片和VHDL语言设计了一个数字电压表，举例说明了利用VHDL语言实现数字系统的过程。

二、EDA技术的概念

EDA是电子设计自动化(E1echonics Design Autoumation)的缩写。由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义。但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA 技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。大致可以分为三个发展阶段。20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段：这一阶段的主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑，PCB布同布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来。20世纪80年代的QtE(计算机辅助工程设计)阶段：这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时分析、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计而能在产品制作之前预知产品的功能与性能。20世纪90年代是EDA(电子设计自动化)阶段：这一阶段的主要特征是以高级描述语言，系统级仿真和综合技术为特点，采用“自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成。EDA 是电子技术设计自动化，也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图：在电

路板设计阶段，可以使用EDA 中电路板设计工具设计多层电路板。特别是支持

硬件描述语言的EDA 工具的出现，使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要

用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计

与制造。有专家认为，21世纪将是EDA 技术的高速发展期，EDA 技术将是对

21世纪产生重大影响的十大技术之一。

三、 数字电压表的分类

随着数字技术的迅速发展，直流数字电压表、数字多用表、数字面板表

（DPM ），以传统指示仪表所无法比拟的卓越性能，正被广泛采用。把直流模

拟电压转换成数字量的DC-DVM 是数字电压表乃至整个数字仪表的基本组成部

分，而DC-DVM 的核心又是A/D 转换器。所以A/D 转换器往往决定着数字电压

表的技术性能。

就DC-DVM 而言，虽然都是用来测量直流电压，但由于A/D 转换器型式不

同，工作原理和内部结构也不同，因而出现了各种型式的数字电压表。所以，若

按A/D 转换器的原理进行分类，更能区分其性质。这种分类方法也比较普遍，

大体情况如下。

(1)比较型：①逐次逼近比较式；②跟踪比较式；③剩余电压再循环比较式。

(2)电压时间转换型（V/T ）：①阶梯波式；②斜波式（锯齿波式）。

(3)积分型：①电压/频率转换式（V/F ）；②双积分式（双斜式）；③脉冲调

宽式；④三斜积分式、四斜积分式等。

(4)复合型：①两次采样电阻分压比较式；②两次采样电感分压比较式；③

三次采样积分式；④动态量程扩展式（D.S.S.）；⑤扩展电流比较式（S.C.C.）。

(5)特殊型：①机械编码式；②光电式；③数学运算式（乘、除、开方等）。

除按A/D 转换器的原理分类外，还可以按使用场合分为以下几种：

(1)实验室型：准确度高、环境条件要求严格。

(2)通用型：准确度一般，环境条件要求比较宽。

(3)面板型：准确度低，多安装在面板上作为指示电表之用，也称作数字表

头。主要用于自动检测及控制系统中，其作用是进行信号变换和测量指示。

按显示位数来分，过去一般分为4位、5位…9位；现在通常为3 位、4 位…

8 位等位数。

按测量速度分类，则可分成低速型（1次/几十秒至几次/秒）、中速型（几121212