基于FPGA的新型数字电压表设计

该电压表电路中，ADC0809的工作时序如图4所示。主要控制信号：START是转换启动信号，高电平有效；ALE是3位通道选择地址(ADDC，ADDB，ADDA)信号的锁存信号。当模拟量送至某一输入端，由3位地址信号进行选择，而地址信号由ALE锁存；EOC是档位转换的状态信号。EOC输出高电平时，表示转换结束；在EOC的上升沿后，若使能输出信号OE为高电平，则三态缓冲器打开，将转换完毕的8位数据结果输至数据总线，至此ADC0809的一次转换结束。

3．2 档位转换电路

为了增加数字电压表的测量范围，设计了档位选择电路。采用精密电阻分压方法，简洁实用。ADC0809有8路数据输入端口，原理上可以分为8个档位。从实用性出发，只分了两档，如图5所示。图5中电位器负责电阻校准。尽管采用精密电阻，各电阻值的制造误差不可避免，用电位器来微调校准以保证测量精度。ADC0809的输入范围为0～5 V，档位的切换是通过程序来控制ADC0809各个通道的选通来自动实现。只要输入的电压范围超过5 V，则档位自动切换到另一档，即选通通道INl。

当输入电压范围为O～5 V时，INO导通。此时U=U26，当输入电压范围为5～50 V时，FPGA判断选择档位，INl导通。此时有U=U27即U=(R1+R3)／(R1+R2+R3)=U26／10。

由于ADC0809数字量输出为8位，数字量化范围为0～255，当输入电压为满量程5 V时，转换电路对输入电压的分辨能力为：

3．3 FPGA内部模块设计

(1)码制转换模块。在此码制变换模块DATA_CONVERSION功能是将AD0809采样送来的8位二进制数转换为可被LCD识别的字符型LCD码。首先，将8位二进制码变换为BCD码；然后，再分别进行转换，得到字符型码，并送入译码显示模块。

(2)译码驱动模块。数字电压值的显示由LCD实现。选用了HY系列字符型液晶显示模块HD44780。实现了低功耗，而且可带单位双排显示，字体美观大方。

整个电路十分简洁。系统工作过程：FPGA芯片EP2C5T144对ADC0809及LCD进行初始化。当有输入信号Vi时，由FPGA向ADC0809传送控制信号控制字，使其对输入的模拟信号进行转换，变为8位的数字信号并送到输出端。由FPGA经过码制变换等处理后，再通过LCD的接口驱动，向其发送数据。当ADC0809采样完成后，FPGA中的码字转换模块将数据转换为LCD可识别的字符型数据，然后送至驱动模块，由其驱动LCD，将字符型数据送到LCD的DO～D7端，实现显示。

4 关键算法实现

4．1 档位自动切换算法

将数字电压表分为两个档位，分别是0～5 V，0～50 V。档位切换算法如下：

设定初始量程为0～5 V。采集100个数据点，对输入信号Vi的采样值取绝对值的最大值，将其作为Vi的最大值的估计值。如果Vi的最大绝对值估计值小于5 V，则将档位切换到O～5 V，否则，切换到0～50 V。

4．2 信号采样周期自调整算法

为协调好数据精度和系统负担两者之间的关系，对于叠加周期信号的输入信号Vi，规定单个周期的数据采集不少于8个点，因此要对AD0809的采样周期进行自适应调整。这里使用过零点检测的方法，如果叠加信号的周期在0～25 Hz范围内，采样周期为5 ms。叠加信号周期在25～50 Hz时，采样周期为2 ms；叠加信号周期在50～100 Hz时，采样周期为1 ms。

设采样周期的初始值为2 ms，采样数为100点。则有：首先采集100个数据，计算平均值，作为输入信号Vi的均估值(平均值的估计值)；再采集100个数据，与Vi的均估值进行比较，计算过零点的数量并统计；根据此数量，调整采样周期，当此数量大于20时，令采样周期为1 ms。当此数量不大于10时，令采样周期为5 ms。其他令采样周期为2 ms。

4．3 检测叠加信号周期算法

依旧采用检测过零点的数目来检测周期。

设采集的数据点为1O0个，计算均值，作为输入信号Vi的均估值；再采集数据，与Vi的均估值进行比较，计算过零点的数量并统计，同时统计每个数据过零点的时刻；检测到三个过零点时，判断其是否符合均匀分布，判断是否检测到一个周期。若检测到一个周期，则停止检测并计算此周期，否则继续检测。若检测到相当数量的数据点，过零点数量仍小于3个，则认为输入信号为直流信号。

5 程序流程

程序流程如图6所示。

6 测试结果分析

采用高精度数字多用表UT88B输出值作为标准值。由表1所示。

由数据对比可以看出，在O～5 V档位上，该数字电压表的误差基本在O．01 V内。在O～50 V档位上，误差有所增大，但也控制在O．02 V以内，体现了ADC0809的转换精度，电路整体设计合理可靠。至于O．02 V以内的偏差，可修改程序，采用软件的方法进行数据校正，也可以进一步校正A／D的基准电压。

7 结语

利用现场可编程门阵列技术，设计了该新型数字式电压表。用软件替代诸多硬件，在一块高性能FPGA芯片上，实现采样时序的控制、档位的判断选择、码制的转换和LCD驱动，极大地提高了系统集成度和可靠性。文中重点介绍了档位电路和FPGA内部模块的设计以及关键算法的实现步骤。由测试结果，可看出该仪表测量范围较宽，测量精度较高，能够满足物理实验中电量的测量要求。经实际使用证明，系统运行稳定、操作方便。为了方便电压表系统与计算机直接通信，还可进一步增加RS 232接口，进行电平转换，可将测得的数据实时导入计算机中使用。