CPLD的智能数字电压表毕业论文

1 绪论

1.1 课题背景及意义

随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，其中电压的测量甚为突出。数字电压表是采用数字化测量技术设计的电压表。

传统的模拟式（即指针式）电压表已有100多年的发展历史，虽经得到不断改进和完善，仍无法满足现在电子测量的需要。数字电压表自1952年问世以来，显示出强大的生命力，现已成为电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。

数字电压表在电子领域发挥着越来越重要的作用，相对传统的电压表，显示明了、直观、读数准确，准确度高，分辨力高，扩展能力强，反应速度快，高集成度，抗干扰能力强，功耗小等诸多优势而得到迅速发展。

另一方面，当前数字系统的设计正朝着容量大、速度快、体积小、重量轻的方向发展，推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和完善的ASIC设计技术。目前数字系统的设计可以直接面向用户要求，根据系统的行为和功能要求自上而下逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。CPLD被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中，因为它具有集成度高、编程较灵活、设计开发周期短、开发工具先进、工艺性强、容易上手、适用范围广、性价比较高、保密性强等特点，可实现较大规模的电路设计。

DVM的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表，现在已经广泛应用于电子、电工测量，自动化测试系统等领域。故数字电压表已成为一种必不可少的测量仪器。

本设计利用CPLD在系统设计中的各种优势，在Quartus II平台上进行开发智能数字电压表。不仅能满足用户测量需要，而且考虑到了在这技术日新月异的年代系统升级的问题，迎合了社会资源有效利用的发展理念，另一方面，给用户节省了不少系统设计成本。

1.2 国内外研究状况

数字电压表在这50多年来有了很大的突破。数字电压表类型越来越多，采用不同的原理和电子元件，精确度不断上升，集成度增加。数字电压表的发展微型化，智能化，性价比更高，功能更全面，可靠性更高，外观更精致，功耗更小，应用更广泛。

近20 年来，在高新技术如微电子技术、计算机技术、集成技术、网络技术等得到了迅猛发展的背景和形势下，不断地向仪器仪表提出了更新、更高、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等，同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。传统的仪器仪表将仍然朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环保和长寿命的“六高一长”的方向发展。新型的仪器仪表与元器件将朝着小型化（微型化）、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化；在服务上专门化、简捷化、家庭化、个人化、无维护化以及组装生产自动化、无尘（或超净）化、专业化、规模化的“二十化”的方向发展[2]。在这“二十化”中，占主导地位、起核心或关键的作用是微型化、网络化、虚拟化、数字化和智能化。

数字电压表的设计和开发，已经有各种各样的类型和款式。传统的数字电压表不够智能，适合人工手动现场测量，无法完成对远程测量数据的有效处理，这是在技术高度智能化的背景下无法满足人们的测量需求。相反高智能的数字电压表基于PC通信，不但可以将测量数据进行存储传输，而且可以借助计算机或内置软件对测量数据作进一步地处理。因此未来数字电压表的发展，无论在功能和实际应用上，较传统电压表更具有搞性能，高性价比，高智能化，这使得智能数字电压表有着良好的发展应用前景。

1.3 本课题的主要内容

本课题的主要内容如下：

(1) 介绍数字电压表的研究背景及意义，指出了CPLD的发展优势：编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化。另外还介绍了数字电压表的国内外发展及应用状况。

(2) 对数字电压表进行探讨，首先介绍了数字电压表的基本特点，指出了其精确度

高，微功耗，抗干扰能力强，便于扩展等特性。其次着重介绍了数字电压表的基本结构组成，简述了其工作原理。

(3) 提出系统总体设计方案。首先叙述本次设计的技术参数，然后总体介绍了单片机在数字电压表中的应用，说明选取CPLD为控制核心设计电压表的相对优势，最后，确定了基于CPLD的智能数字电压表总体设计方案，进行了模块化设计。

(4) 系统硬件电路设计。叙述了电源电路、A/D转换部分的电路（包括分压电路，换挡电路和A/D转换电路）、显示电路的工作原理并进行了电路设计。

(5) 系统软件设计。首先介绍了Quartus II设计平台和DHL语言的应用，然后针对本课题提出软件编程方案：采用模块化设计，整个程序的编写分主程序、A/D转换子程序、FIFO子程序、分频子程序、BCD译码子程序和动态扫描子程序，并给出A/D转换子程序的状态机，FIFO子程序和动态扫描原理。同时根据模块化的设计方案，编写出各部分程序的源代码。

(6) 总结了设计功能，指出了设计的不足之处，并对系统的未来扩展进行了展望。

2 系统总体设计

数字电压表简称DVM（Digital V oltmeter）。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪器。智能化数字电压表则是大规模集成电路（LSI）、数显技术、计算机技术、自动测试技术（ATE）的结晶。

2.1 数字电压表的基本结构

随着技术的发展，人们对测量技术的要求越来越搞，相对传统的电压表，数字电压表主要有以下特点：显示清晰、直观、读数准确，准确度高，分辨力高，测量范围宽，扩展能力强，测量速度快，输入阻抗高，集成度高，微功耗，抗干扰能力强。

下面介绍数字电压表的基本结构，以及由它扩展而成的数字多用表DMM（Digital Multipler）的整机框图。

普通数字电压表的基本结构如图2.1所示。主要包括8部分：○1输入电路；○2A/D 转换器；○3基准电压源；○4计数器；○5逻辑控制器；○6译码驱动器；○7数字显示器；○8电源。总电路又可归纳成模拟与数字两大部分，○1~○3为模拟部分，○4~○7是数字部分。

图2.1 数字电压表的基本结构

输入电路的作用是将基本量程变为扩展量程，以便构成多量程数字电压表，满足各种测量的需要。当扩展量程高于基本量程时，需经分压器对输入电压进行衰减，在送至A/D转换器中。若扩展量程低于基本量程，应通过前置放大器将输入电压进行放大。A/D