基于FPGA的数字电压表的设计讲解.docx
- 文档编号:2922009
- 上传时间:2022-11-16
- 格式:DOCX
- 页数:22
- 大小:257.87KB
基于FPGA的数字电压表的设计讲解.docx
《基于FPGA的数字电压表的设计讲解.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于FPGA的数字电压表的设计讲解.docx(22页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于FPGA的数字电压表的设计讲解
基于FPGA的数字电压表的设计
摘要
电子设计自动化(electronicdesignautomation,EDA)是近几年迅速发展起来的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子设计技术。
其中EDA设计语言中的VHDL语言是一种快速的电路设计工具,功能涵盖了电路描述、电路综合、电路仿真等三大电路设计内容。
本电压表的电路设计正是用VHDL语言完成的。
此次设计主要应用的软件是美国ALTERA公司自行设计的一种CAE软件工具,即MAX+PLUSⅡ。
本次所设计的电压表的测量范围是0~5V,精度为0.01V。
此电压表的设计特点为:
通过软件编程下载到硬件实现,设计周期短,开发效率高。
关键词:
电子设计自动化(EDA);FPGA;VHDL;A/D采集;数字电压表
DesignofDitalVoltmeterBasedonFPGA
XieXingDu
(CollegeofZhangJiajie,JishouUniversity,Jishou,Hunan416000)
Abstract
Thedesignofdigitalsystemisbecomingfaster,bulkier,smallerandlighterthanbefore.Electronicdesignautomationisinthelastfewyearsquicklydevelop,itmakesuseofsoftware,hardware,micro-electronicstechnologytoformacourseofelectronicdesign.Amongthem,theVHDLlanguageofEDAisakindoftooloffastcircuitdesign,thefunctioncoveredthecircuitdescribe,thecircuitsynthesize,thecircuitimitatethetrueetc.ThecircuitofthedesignthatuseVHDLlanguagetocomplete.ThethistimedesignisprimarilytheappliedsoftwareisMAXPLUSⅡwhichismadebytheUnitedStatesALTERAcompany.Thissystem’srangeis-5vto+5vandprecisionis0.01v.Characteristicsofthiselectricvoltagewatchis:
Passthesoftwareprogramtodownloadthehardwareorealize,designtheperiodisshort,developmenttheefficiencyishigh.
Keywords:
ElectronicDesignAutomation(EDA);FPGA;VHDL;A/DAcquisitiondigitalvoltage
第一章绪论
1.1研究目的及意义
数字电压表(DigitalVoltmeter)简称DVM,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。
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。
传统的数字电压表设汁通常以大规模ASIC(专用集成电路)为核心器件,并辅以少量中规模集成电路及显示器件构成。
ASIC完成从模拟量的输入到数字量的输出,是数字电压表的心脏。
这种电压表的设计简单、精确度高,但是这种设计方法由于采用了ASIC器件使得它欠缺灵活性,其系统功能固定,难以更新扩展。
后来发展起来的用微处理器(单片机)控制通用A/D转换器件的数字电压表的设计的灵活性明显提高,系统功能的扩展变得简单,但是由于微处理器的引脚数量有限,其控制转换速度和灵活性还是不能满足日益发展的电子工业的需求。
而应用EDA(电子设汁自动化)技术及FPGA(现场可编程门阵列),其集成度高、速度快、性能十分可靠、用户可自由编程且编程语言通俗易懂、系统功能扩展非常方便。
采用FPGA芯片控制通用A/D转换器可使速度、灵活性大大优于由微处理器和通用A/D转换器构成的数字电压表。
本文采用8位A/D转换器ADC0809对模拟电压采样,以一片高性能FPGA芯片为控制核心,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实时的运算处理并送出显示。
系统的主要功能都集成在一块芯片上,大大减少了系统的分立元件数量,降低了功耗,增加了可靠性,较好地实现了电压的精准测量。
1.2本课题国内外研究概况、应用前景
科学技术的发展为测量仪器、仪表提供了新原理和新技术以及新型的元、器体,同时又对测量仪表提出了更新、更高的要求。
数字电压表(简写为DVM)就是在精密电测量技术、计算技术、自动化技术和电子技术的基础上产生和发展起来的。
数字式仪表是能把连续的被测量自动地变成断续的、用数字编码方式的、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、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起。
成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支。
1952年,美国NLS公司首创四位数字电压表,到现在的五十多年中经过了不断的改进和提高。
电压表是从电位差计的自动化考虑中研制成功的,开始是四位然后是五位、六位,而现在发展到七位、八位数码显示;从最初的一、二种工作原理发展到几十种原理,从最早采用继电器、电子管发展到全晶体管化、集成电路化、微处理器化;认一台DVM只能测一、二种参数到能测十几种参数的多用型;显示器件也从辉光数码显示发展到等离子体、发光二极管、液晶显示等。
电压表的体积和功耗越来越小,重量不断减轻,价格也逐步下降,可靠性越来越高,量程范围也逐渐扩大。
回顾一下电压表的发展过程,大致可分为以下三个阶段:
数字化阶段。
50-60年代中期,电压表的特点是运用各种原理实现模数(A/D)转换,即将模拟量转化成数字量,从而实现测量仪表的数字化。
高准确度阶段。
由于精密电测量的需要,电压表开始向高准确度、高位数方向发展,出现了所谓复合型原理的仪表。
智能化阶段。
60年代末期,电子技术和工艺结构有了飞跃的发展,而大规模集成电路(LSI)与计算机技术相结合的产物是微处理器(简写为μP)。
1972年,美国Intel公司首创微处理器不久即研制出微处理器式数字电压表,实现了电压表数据处理自动化和可编程序。
因为带有存贮器并使用软件,所以可进行信息处理,可通过标准接口组成自动测试系统(简写为ATS)。
这些仪表除了完成原有电压表的各种功能外,还能够自校、自检,保证了自动测量的高准确度,实现了仪器、仪表的所谓“智能化”。
当前,智能表发展十分迅速,而微处理式电压表在智能仪表中占的比重最大。
智能化的电压表为实现各种物理量的动态测量提供了可能。
1.3研究的主要内容
本课题主要研究数字电压表的一般设计原理,并结合新型的可编程逻辑器件(FPGA)设计了一种方便、实用的数字电压
表。
我主要设计软件那部分。
采用ACEX1k30TC144-3的一款FPGA芯片实现电压表的数码显示的功能。
设计中所要求设计的数字电压表为4位,由三大部分组成,数据转换模块进行模数转换后到数据处理模块处理得到BCD码转换成能被数码管识别的字型编码,再到显示模块,每一部分又包含了若干子电路,将各电路组合起来,就构成了一个整体。
硬件设计所需的硬件主要有:
课变直流电平输出电路、ADC0809、七段显示器、ACEX1k30TC144-3适配器。
第二章相关技术简介
2.1EDA技术的简介
随着微电子技术和计算机技术的不断发展,在涉及机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等领域的电子系统设计工作中,EDA技术的含量正以惊人的速度上升,它已成为当今电子技术发展的前沿之一。
EDA以计算机为工具,设计者在其软件平台上,用硬件描述语言HDL完成设计文件,然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
利用EDA技术(特指IES/ASIC自动设计技术)进行电子系统的设计,具有以下几个特点:
①用软件的方式设计硬件;②用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的;③设计过程中可用有关软件进行各种仿真;④系统可现场编程,在线升级;⑤整个系统可集成在一个芯片上,体积小、功耗低、可靠性高;6.从以前的“组合设计”转向真正的“自由设计”;7.设计的移植性好,效率高;8.非常适合分工设计,团体协作。
因此,EDA技术是现代电子设计的发展趋势。
EDA技术的理论基础,设计工具,设计器件应是这样的关系:
设计师用硬件描述语言HDL描绘出硬件的结构或硬件的行为,再用设计工具将这些描述综合映射成与半导体工艺有关的硬件配置文件,半导体器件FPGA则是这些硬件配置文件的载体.当这些FPGA器件加载,配置上不同的文件时,这个器件便具有了相应的功能.在这一系列的设计,综合,仿真,验证,配置的过程中,现代电子设计理论和现代电子设计方法贯穿于其中。
以HDL语言表达设计意图,以FPGA作为硬件实现载体,以计算机为设计开发工具,以EDA软件为开发环境的现代电子设计方法日趋成熟.在这里,笔者认为,要振兴我国电子产业,需要各相关专业的人士共同努力.HDL语言的语法语义学研究与半导体工艺相关联的编译映射关系的研究,深亚微米半导体工艺与EDA设计工具的仿真,验证及方法的研究,这需要半导体专家和操作系统专家共同努力,以便能开发出更加先进的EDA工具软件.软件,硬件协同开发缩短了电子设计周期,加速了电子产品更新换代的步伐.毫不夸张地说,EDA工程是电子产业的心脏起搏器,是电子产业飞速发展的原动力.
2.2FPGA的概念与特点
FPGA(Field-ProgrammableGateArray),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
目前以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。
一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,而且消耗更多的电能。
但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。
厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。
因
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 FPGA 数字 电压表 设计 讲解