基于CPLD的高分辨率AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

陸從青，吳建輝

(東南大學(xué)集成電路(IC)學(xué)院，南京 210096)

隨著科技的飛速發(fā)展、高分辨率的數(shù)模混合電路的應(yīng)用不斷深入，電路設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，精度越來越高，所以高精度AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)就成了儀器儀表及各種測量控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。本系統(tǒng)來源于儀器儀表的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用高精度、低溫漂的優(yōu)質(zhì)模擬、數(shù)字器件，輔以52系列單片機(jī)為控制器，以復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Array Logic)為頻率測試的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、低線性誤差的AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。通過本設(shè)計(jì)掌握高精度、低漂移的高端AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法， CPLD的設(shè)計(jì)，以及52系列單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)及軟件編程。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)16 位的VFC式AD轉(zhuǎn)換器，利用積分原理，將輸入電壓(或電流)轉(zhuǎn)換成頻率輸出。采用計(jì)數(shù)頻率高的CPLD器件實(shí)現(xiàn)測頻，單片機(jī)控制CPLD的測頻操作和頻率的計(jì)算[1]。

用V/F轉(zhuǎn)換器完成AD轉(zhuǎn)換，需要1 個(gè)定時(shí)器和2路計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率限制了V/F器件輸出頻率的提高。本設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)頻率更高的CPLD器件和單片機(jī)共同組成測速模塊， CPLD通用性好，避免了對于專用器件的依賴，降低了因?qū)Ｓ闷骷．a(chǎn)或出現(xiàn)供貸問題所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的控制。

VFC式AD轉(zhuǎn)換器脈沖頻率與輸入電壓成比例，其精度高、線性度好、轉(zhuǎn)換速度居中、轉(zhuǎn)換位數(shù)與速度可調(diào)、與CPU的連線最少，且增加轉(zhuǎn)換位數(shù)時(shí)不會(huì)增加與CPU的連線，因此， VFC為AD轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了一種廉價(jià)而有效的解決辦法[2]。

系統(tǒng)總體可以劃分為電壓采樣部分、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化部分，控制部分。其中電壓采樣部分包括：精密測試電壓源。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化部分包括：電壓放大和偏置， V/F轉(zhuǎn)換模塊，計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。控制部分包括：控制器模塊，鍵盤，顯示模塊，系統(tǒng)原理框如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別選取了較好的方案實(shí)現(xiàn)：①精密基準(zhǔn)源，精密低溫漂高檔基準(zhǔn)源，分壓；②電壓放大及偏置，運(yùn)算放大器ICL7650；③V/F轉(zhuǎn)換，采用AD652芯片；④頻率測試，采用CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)；⑤控制器，采用凌陽的SPEC061A單片機(jī)；⑥顯示，采用液晶屏；⑦電氣隔離，采用光電耦合，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 精密測試基準(zhǔn)源

對于16位的AD轉(zhuǎn)換器，滿幅度輸入電壓僅為100 mV，如果要測試它的性能，則需要極高精度和非常低溫漂的基準(zhǔn)源， 電路原理如圖 3 所示。AD586是AD公司高精度5 V的基準(zhǔn)電壓源，溫漂低至2 10-6/℃，噪聲為100 nV/Hz，通過固定電阻和可調(diào)電阻進(jìn)行分壓產(chǎn)生0 ～100 mV的電壓。為了增加電壓的負(fù)載能力，須進(jìn)行電壓跟隨。OPA333是零漂移精密運(yùn)放，漂移最大為0.05 μV/℃。同時(shí)采用兩個(gè)2.5 V的基準(zhǔn)源LM 336以降低電源波動(dòng)的影響。 LM336 的輸出 電流為 10 mA， 可滿 足OPA33的需要。分壓用的電阻為指針式10 圈可調(diào)，可以達(dá)到理想的精度。

圖3 基準(zhǔn)源電路原理圖

2.2 電壓的放大及偏置

0 ～100 mV的電壓不能直接送給 V/F變換AD652，而必須經(jīng)過精密放大和進(jìn)行電位的偏置，這樣才能達(dá)到設(shè)計(jì)的精度。選擇具有斬波穩(wěn)定功能的ICL7650運(yùn)算放大器，它可以提供低的偏置電流(10 pA)、偏置電壓和相對時(shí)間、溫度的穩(wěn)定性。輸入的0 ～100 mV電壓經(jīng)過40倍的放大后，產(chǎn)生0 ～4 V的輸出，因?yàn)锳D652在0 V輸入的情況下，輸出頻率也是0，這樣計(jì)數(shù)得到頻率難以達(dá)到16 位的精度，所以將輸入(0 ～4 V)的直流偏置設(shè)置為1 V，從而產(chǎn)生1 ～5 V的輸入信號送給AD652；運(yùn)放的電阻須選用1/1 000 精度的，保證了V/F變換的精度。其原理圖如圖4所示。

圖4 電壓放大偏置原理圖

2.3 V/F轉(zhuǎn)換電路

電壓/頻率轉(zhuǎn)換即V/F轉(zhuǎn)換，是將一定的輸入電壓信號按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出頻率也響應(yīng)變化[3]。

本設(shè)計(jì)采用專用集成芯片AD652，輔以的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換，如圖5所示。AD652是美國ANALOG DEVICES公司推出的高精度電壓頻率(V/F)轉(zhuǎn)換器，它由積分器、比較器、精密電流源、單穩(wěn)多諧振蕩器和輸出晶體管組成。該電路在±15 V電源電壓下，功耗電流小于15 mA，滿刻度為1 MHz時(shí)其非線性度小于0.07 %， 最佳溫度穩(wěn)定性為±150 ppm/℃。用AD652實(shí)現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換，可以滿足較高的滿刻度頻率響應(yīng)和較低的最佳溫度穩(wěn)定性[4]。

圖5 V/F轉(zhuǎn)換電路

由于使用外部時(shí)鐘設(shè)置滿量程輸出頻率，AD652可以獲得更高的線性度和穩(wěn)定性。通過使用同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)AD652和設(shè)置計(jì)數(shù)時(shí)間閘門，轉(zhuǎn)換精度與時(shí)鐘頻率無關(guān)，不因時(shí)鐘頻率的改變而改變。

2.4 基于CPLD的頻率計(jì)電路

在本系統(tǒng)中， CPLD采用美國XILINX公司生產(chǎn)的XC95108CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)，其片內(nèi)有108個(gè)宏， 2 400個(gè)門，頻率可以達(dá)125 MHz，引腳間延時(shí)715 ns，供電電壓5 V或313 V的在系統(tǒng)可編程器件，其可供用戶使用的I/O口數(shù)在64個(gè)以上。XC95108采用FLASH編程工藝，可反復(fù)擦寫，所設(shè)計(jì)的電路如圖6所示。

由于輸入的信號是交流信號而CPLD(可編程邏輯器件)和施密特觸發(fā)器是數(shù)字芯片，不識(shí)別負(fù)信號，需將輸入交流信號變?yōu)橹绷餍盘枺脙蓚€(gè)電阻實(shí)現(xiàn)電壓鉗位功能，鉗位后的信號經(jīng)7414(施密特觸發(fā)器)整形為方波后直接輸入CPLD對其計(jì)數(shù)。由于CPLD可以實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。

頻率計(jì)測得的數(shù)據(jù)為此系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換精度受基準(zhǔn)晶振和AD652的V/F滿刻度時(shí)的量程的影響， 由于CPLD的基準(zhǔn)晶振選用的是 20 MHz的高精度晶振。設(shè)計(jì)的 AD轉(zhuǎn)換頻率為 50 kHz，所以在計(jì)數(shù)周期內(nèi)基準(zhǔn)晶振脈沖個(gè)數(shù)為400，CPLD因?yàn)殡S機(jī)時(shí)間出現(xiàn)的誤差僅為一個(gè)脈沖，而AD652的滿刻度頻率高，可達(dá)1 MHz，所以精度可達(dá)到幾千分之一。

圖6 基于CPLD的頻率計(jì)電路原理圖

2.5 單片機(jī)控制電路

控制部分采用凌陽 SPEC061A單片機(jī)。SPCE061A是凌陽科技新推出的一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器，它在2.6 ～3.6 V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為0.32 ～49.152 MHz，較高的工作速度使其應(yīng)用領(lǐng)域更加拓寬[5]。2 K字節(jié)SRAM和32 K字閃存ROM僅占一頁存儲(chǔ)空間， 32位可編程的多功能I/O端口；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；低電壓復(fù)位/監(jiān)測功能；8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)化輸入并具有自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式：雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能等[6]。 SPCE061A是數(shù)字聲音和語音識(shí)別產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中， SPCE061A主要實(shí)現(xiàn)CPLD信息讀取，鍵盤接口和顯示模塊控制等功能。

圖7 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2.6 顯示接口設(shè)計(jì)

在顯示方面，由于LCD(LiquidCrystalDISplay)具有以下特點(diǎn)：

(1)低工作電壓，低功耗。

(2)顯示柔和，字跡清晰。

(3)不怕強(qiáng)光照射，光照越強(qiáng)，對比度越大，顯示效果越好。

(4)體積小，重量輕，平板型。

(5)可靠性高，壽命長。

因此本設(shè)計(jì)采用128×64的圖形點(diǎn)陣液晶顯示器來顯示頻率流量信息，液晶采用4行顯示，顯示信息豐富，可以滿足不同用戶的需求。同時(shí)，該液晶采用串口傳輸數(shù)據(jù)，每秒刷屏一次，節(jié)約了單片機(jī)的資源，為今后的繼續(xù)開發(fā)和升級打下基礎(chǔ)。

2.7 其它輔助抗干擾措施

一般來說，測控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與制作并不復(fù)雜，功能設(shè)計(jì)不過的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，系統(tǒng)能否在運(yùn)行過程中準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)這些功能才是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于實(shí)際工作環(huán)境中存在各種各樣的干擾源，這些干擾源對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行往往會(huì)產(chǎn)生不利，甚至?xí)a(chǎn)生意想不到事，更有甚者的是造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓和無法工作運(yùn)行，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)設(shè)備的損壞和事故的發(fā)生，因此，測控系統(tǒng)的抗干擾防范措施在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的位置。本設(shè)計(jì)增加了如耦合電路、后備電源監(jiān)測系統(tǒng)、印刷電路板等硬件抗干擾設(shè)計(jì)，減少干擾源對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行所帶來的不利影響[7-8]。

3 系統(tǒng)通信流程及軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的，總的原則主要從以下幾方面考慮：

(1)根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對獨(dú)立的部分。根據(jù)它們之間的聯(lián)系和時(shí)間上的關(guān)系，設(shè)計(jì)出合理的軟件總體結(jié)構(gòu)，使其清晰、簡潔、流程合理；

(2)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接， 又便于移植、修改；

(3)建立正確的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)功能要求，描述出各個(gè)輸入和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，它是關(guān)系到系統(tǒng)性能好壞的重要因素；

(4)為提高軟件設(shè)計(jì)的總體效率，以簡明、直觀的方法對任務(wù)進(jìn)行描述，在編寫應(yīng)用軟件之前，繪制出程序流程圖。這不僅是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，而且是決定成敗的關(guān)鍵部分；

(5)合理分配系統(tǒng)資源，其中最關(guān)鍵的是片內(nèi)內(nèi)存分配。分配時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮其特一長，做到物盡其用；

(6)加強(qiáng)軟件的抗干擾設(shè)計(jì)，提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，軟件設(shè)計(jì)采用模塊結(jié)構(gòu)，整個(gè)軟件包括主程序、采樣子程序數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序等模塊。

根據(jù)以上原則要求設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖8所示：

圖8 控制程序流程圖

4 測試結(jié)果及分析

對所設(shè)計(jì)的電路的V/F轉(zhuǎn)換的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖9所示。

圖9 V/F轉(zhuǎn)換測量對比值

通過示波器觀察，每秒鐘50 000個(gè)脈沖，即轉(zhuǎn)換頻率為50 kHz。由測試結(jié)果圖可知此次VF轉(zhuǎn)換滿足了高分辨率和較低的非線性度的要求，分辨率可達(dá)16位，線性誤差＜0.2%，轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)50 kHz。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)應(yīng)用V/F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高分辨率AD轉(zhuǎn)換，具有較高的滿刻度頻率響應(yīng)、低功耗和較低的非線性度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表對溫度的控制中，滿足對設(shè)定溫度控制穩(wěn)定性的要求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用CPLD實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)數(shù)功能，是數(shù)字系統(tǒng)精確測量頻率一種方法：在采樣時(shí)間內(nèi)同時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和被測頻率信號計(jì)數(shù)。采樣完成后，把二者的計(jì)數(shù)值相比，再乘以標(biāo)準(zhǔn)頻率就可以得到被測頻率的精確值。

[ 1] 胡少青，張春熹，杜新政.應(yīng)用高分辨率A/D和DSP實(shí)現(xiàn)的加速度計(jì)并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[ J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)， 2002(1)：13-17.

[ 2] 武義泉，楊書生，鐘宜生.同步和異步電荷平衡式電壓頻率變換器誤差分析[ J].測控技術(shù)， 2008(5)：37-40.

[ 3] 牛海燕，孫永剛，田亮， 等.VFC在捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[ J] .航天控制， 2005(6)：85-88.

[ 4] 周璐.電荷平衡式電壓—頻率轉(zhuǎn)換器的原理及誤差分析[ J].測控技術(shù)， 2009(5)：136-138.

[ 5] 李玉賢.基于SPCE061A單片機(jī)的語音識(shí)別系統(tǒng)的研究[ D] .東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2004.

[ 6] 郭穎.基于SPCE 061A的嵌入式多機(jī)無線測控系統(tǒng)[ D] .河北工業(yè)大學(xué)， 2006.

[ 7] 胡孟春，葉文英.實(shí)時(shí)測量與控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)[ J] .兵工自動(dòng)化， 2002(3)：52-55.

[ 8] 趙峻彥，李曼.單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)[J] .長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(2)：21-24.

[ 9] 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理及應(yīng)用[ J] .電子技術(shù)應(yīng)用， 2000：66-68.

[ 10] 辛春艷.VHDL硬件描述語言[ M] .國防工業(yè)出版社， 2002：27-32.

[ 11] 羅亞非.凌陽16位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[ M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2005：9-10.

[ 12] 黃錫珉.平板顯示技術(shù)的發(fā)展[J] .液晶與顯示， 2002， 17(5)：317-322.