采用CPLD器件与单片机实现数字电压表的设计

设计了基于CPLD的数字电压表，采用CPLD器件作为核心处理电路，用单片机进行控制，能较好地减小外界干扰，提高分辨率。该数字电压表能够自动转换量程，从而可提高数字电压表的性能。

1 方案论证与比较

双积分A／D是对输入取样电压和基准电压进行两次积分，以获得与取样电压平均值成正比的时间间隔，同时在此时间间隔内，用计数器对CP记数，计数器的输出结果就是对应的数字量。双积分A／D有精度高，抗干扰能力强和稳定性好的优点，但转换速度较低，因而适用于数字直流电压表等精度较高而转换速度要求不高的仪器。设计的系统框图如图1所示。为实现该系统功能，可采用以下两种方案。

1．1 方案一

用J-K触发器构成n位二进制异步加法计数器，并采用下降沿触发器FF。但因J-K触发器数目与显示精度有关，若显示精度较高，则所需触发器数目较多，需占大量空间，且易受干扰。若2 V档的最小分辨率为0．1 mV，则有2／（2n-1）=O．1 mV，n≥15，这里取n=16，如图2所示。

1．2 方案二

采用EDA可编程逻辑器件把16位J-K触发器组成的计数器和控制电路集成到系统内部，不仅可以消除外界干扰，减小测量误差，且大大节省空间，提高系统的响应速度。CPLD使用方便、快捷，性价比很高，如图3所示。

对比两种方案的性能，本设计选用方案二。

2 系统设计

2．1 硬件部分

2．1．1 滤波电路

滤波电路采用压控二阶低通滤波器，如图4所示。运放采用低温漂高精度运放OP07，取R1=R2=R=1．592 kΩ，C1=C2=10μF，则f0=10 Hz。

传递函数为：

当Aup《3时，电路才能正常工作，不产生自激振荡。令：

则电压放大倍数：

对直流信号的放大倍数为：

2．1．2 测量放大器

测量放大器如图5所示。AD620为低功耗高精度仪表放大器，其增益为：

即可通过调节引脚1，8间电阻的大小来调节G。

对于不同大小的信号，单片机通过8选1模拟开关CD4051来选择电阻R1，R2，R3，R4的接入，实现不同增益值。将0．1 mV～2 V分为4个量程，即0.1～2 mV，2 mV～20 mV，20～200 mV，200 mV～2 V，分别放大1 000，100，10，1．1倍，则可选R1=49．45 Ω，R2=499 Ω，R3= 5．489 kΩ，R4=494 kΩ。

2．1．3 双积分转换电路

双积分转换电路如图3所示。

（1）积分器：由R，C和运放组成，分别对输入电压和基准电压进行积分，其输入接AD620输出。

（2）检零比较器：运放反相端接积分器的输出UA；运放同相端接地。当UA《O时，输出C=1；UA≥O时。C=0。根据C的值控制计数是否开始。

（3）可编程逻辑器件：EPM7128是CPLDMAX7000S系列器件，内部带有存储器，不需要外接。内部为门控开关、16位计数器、16位数据寄存器和辅助触发器。门控开关控制计数器开始计数；计数器用来对CP脉冲进行计数，并触发辅助触发器；寄存器寄存计数器数值，等待单片机读取；辅助触发器通过控制S1来控制对取样电压和基准电压的积分。单片机通过Vs对CPLD进行控制。

第1次积分取样时，Qc=O，控制S1掷向输入电压Vi，L=0，控制S2断开，电容放电。积分输出电压为：

2．1．4 显示模块

用CAl602A液晶模块显示所测电压值。CAl602A字符型液晶是用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，它微功耗、体积小、带译码和驱动电路使用方便、人机界面也很直观，如图6所示。

2．2 软件部分

2．2．1 软件流程图

（1）主程序如图7所示。

（2）子程序包含量程转换（见图8），数据采集（见图9），自动校准（见图10），液晶显示（见图11）4个子程序。

量程转换：

BC=01时，1～20 mV档，放大100倍；

BC=10时，20～200 mV档，放大10倍；

BC=11时，200 mV～2 V档，放大1倍。

3 系统测试与分析

3．1 测试工具

测试工具包含GOS-6031 30 MHz双踪示波器，Agilent34401A 6位半数字电压表。

3．2 测试结果

3．2．1 积分波形输出

经测试调整后未发现明显失真。

3．2．2 电压测量

采用6位半电压表进行校准，结果如表1所示。

由以上数据可以看出，设计已完全达到了误差小于等于O．05％±5个字和分辨率为O．1 mV的要求。

4 结语

该设计较好地实现了所要求的功能，从测试结果看，测量误差较小、分辨率较高。由于采用了CPLD在很大程度上减小了环境干扰。当然该设计还有需要改进的地方，如可增加自动校零功能等。