基于FPGA的模數轉換芯片MAX191控制器的設計

于小龍

(山西省機電設計研究院有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

在儀器儀表等領域中，模擬信號的采集和轉換在系統檢測中具有十分重要的意義。傳統上是用單片機對模數轉換器進行控制，其優點是編程簡單，但也存在著周期長、速度慢的缺點[1]。而FPGA具有速度快、靈活性強的特點，非常適合AD控制器的設計。本文采用型號為EP4CE6E22C8的FPGA芯片對模數轉換器MAX191進行實時采樣控制，經測量，所得的數據具有較高精度，達到了實際使用要求。

1 MAX191介紹

MAX191是MAXIM公司生產的單片CMOS、12位AD轉換器，它既可以采用+5 V單電源供電來測量單極性信號，也可以采用±5 V雙電源供電來測量雙極性信號，并具有內部采樣保持、電壓參考電路，既可以采用內部時鐘工作，也可以利用外部時鐘工作。MAX191的采樣保持時間為2 μs，數據轉換時間為7.5 μs。它與控制器之間采用串行或者并行接口來傳輸數據。MAX191具有功耗低、速度快和精度高的特點，非常適合弱信號的實時采集系統。MAX191引腳如圖1所示。

圖1 MAX191引腳圖

具體引腳功能為：引腳1：掉電控制端；引腳2：-5 V；引腳3：待測模擬量輸入端；引腳4：模擬量輸入返回端；引腳5：參考電壓輸入/輸出端；引腳6：參考電壓調整端；引腳7：模擬地；引腳8：極性選擇端；引腳9：轉換結束標志；引腳10～11：數據輸出端；引腳12：數字地；引腳13～18：數據輸出端；引腳19：讀控制輸入端；引腳20：片選；引腳21：高字節使能；引腳22：串并行選擇；引腳23：時鐘；引腳24：+5 V。

MAX191含有內部時鐘電路，在CLK和DGND之間接120 pF的電容，就可以產生1 MHz的內部時鐘。MAX191在工作時，通過在REF和AGND之間連接一個4.7 μF的電解電容，然后該電容再并聯一個0.1 μF的無極電容，就會在REF端產生4.096 V的參考電壓[2]。

圖2 MAX191時序圖

2 硬件原理圖

圖3 FPGA與MAX191的連接

3 控制器軟件設計

AD轉換控制器采用硬件描述語言Verilog進行編程設計。通過分析MAX191的時序圖，可以發現采用狀態機來設計比較合適。本文把AD整個工作流程分為8個狀態，分別是①Reset_ad,復位狀態，MAX191未開始工作，此時控制器HBEN、RD_CS_N引腳皆輸出高電平；②Start_ad_1，準備啟動AD轉換，此時控制器HBEN輸出低電平，RD_CS_N輸出高電平；③Start_ad_2，啟動AD轉換，HBEN繼續輸出低電平，RD_CS_N輸出低電平；④Read_ad_low,讀取轉換的低8位數據，HBEN繼續輸出低電平，RD_CS_N繼續輸出低電平；⑤Read_ad_high1，讀取低8位數據完畢，HBEN繼續輸出低電平，RD_CS_N輸出高電平；⑥Read_ad_high2，準備讀取高4位數據，HBEN輸出高電平，RD_CS_N繼續輸出高電平；⑦Read_ad_high3，數據總線送出高4位數據，HBEN繼續輸出高電平，RD_CS_N輸出低電平；⑧Read_ad_high，讀取高4位數據。轉換完畢后控制器進入復位狀態，等待下次轉換?？刂破骶幾g后的RTL視圖如圖4所示。本設計250 ms啟動一次AD轉換，轉換結果通過RS232發送至分辨率為(800×400)像素的LCD上實時顯示。

圖4 控制器RTL視圖

4 實測數據比對

軟、硬件設計完成后，即可接入實際的模擬信號進行測試，本文中接入的待測信號為直流電壓值。由開關電源輸出的±5 V電壓經電阻分壓后輸入MAX191,將該系統測得的電壓值與高精度5位半數字萬用表測得的電壓值進行比對。由于MAX191是±5 V雙電源供電，REF端產生的參考電壓為4.096 V，所以該系統的測量范圍±2.048 V，如需擴展量程可選擇合適的分壓電阻將高電壓轉為測量范圍的區間。實測結果如表1所示。

表1 測量結果比對

由表1數據可見，最大相對誤差為1.7%，準確度較高。

5 結束語

采用FPGA芯片EP4CE6E22C8實現對模數轉換芯片MAX191的采樣控制，充分利用了FPGA高可靠性和高速度的特點，測量的電壓數據準確度較高，該系統具有較高的實用價值。