一种基于CPLD的16位VFC式AD转换器设计

　　随着科技的飞速发展、高分辨率的数模混合电路的应用不断深入，电路设计日趋复杂，精度越来越高，所以高精度AD转换电路的设计就成了仪器仪表及各种测量控制系统的难点。本系统来源于仪器仪表的温控系统设计，采用高精度、低温漂的优质模拟、数字器件，辅以52系列单片机为控制器，以复杂可编程逻辑器件 CPLD （Comp lex Programmable Array Logic）为频率测试的硬件平台，实现了高分辨率、低线性误差的AD转换器的设计。通过本设计掌握高精度、低漂移的高端AD转换器的设计方法， CPLD的设计，以及52系列单片机的硬件设计及软件编程。

　　1　系统功能及结构

　　系统主要目的是设计一个16位的VFC式AD转换器，利用积分原理，将输入电压（或电流）转换成频率输出。采用计数频率高的CPLD器件实现测频，单片机控制CPLD的测频操作和频率的计算。

　　用V /F转换器完成AD转换，需要1个定时器和2路计数器，计数器的计数频率限制了V /F器件输出频率的提高。本设计采用计数频率更高的CPLD器件和单片机共同组成测速模块， CPLD通用性好，避免了对于专用器件的依赖，降低了因专用器件停产或出现供贷问题所带来的风险，同时实现所需的控制。

　　VFC式AD 转换器脉冲频率与输入电压成比例，其精度高、线性度好、转换速度居中、转换位数与速度可调、与CPU的连线最少，且增加转换位数时不会增加与CPU的连线，因此， VFC为AD 转换技术提供了一种廉价而有效的解决办法。

　　系统总体可以划分为电压采样部分、模拟- 数字转化部分，控制部分。其中电压采样部分包括：精密测试电压源。模拟- 数字转化部分包括：电压放大和偏置，V /F转换模块，计数转化模块。控制部分包括：控制器模块，键盘，显示模块，系统原理框如图1所示。

　　为实现各模块的功能，分别选取了较好的方案实现： ①精密基准源，精密低温漂高档基准源，分压;②电压放大及偏置，运算放大器ICL7650; ③V /F转换，采用AD652芯片; ④频率测试，采用CPLD （复杂可编程逻辑器件） ; ⑤控制器，采用凌阳的SPEC061A单片机; ⑥显示，采用液晶屏; ⑦电气隔离，采用光电耦合，所设计的系统如图2所示。

　　

　　图1　系统原理框图

　　

　　图2　所设计的系统框图

　　2　系统硬件设计

　　2. 1　精密测试基准源

　　对于16位的AD转换器，满幅度输入电压仅为100 mV，如果要测试它的性能，则需要极高精度和非常低温漂的基准源， 电路原理如图3 所示。

　　AD586是AD公司高精度5 V的基准电压源，温漂低至2 10 - 6 /℃，噪声为100 nV /Hz，通过固定电阻和可调电阻进行分压产生0 ～100 mV 的电压。为了增加电压的负载能力，须进行电压跟随。OPA333是零漂移精密运放，漂移最大为0. 05μV /℃。同时采用两个2. 5 V的基准源LM336以降低电源波动的影响。LM336 的输出电流为10 mA， 可满足OPA33的需要。分压用的电阻为指针式10 圈可调，可以达到理想的精度。

　　

　　图3　基准源电路原理图