基于FPGA的可編程電壓源系統(tǒng)設(shè)計

基于FPGA的可編程電壓源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)分類：可編程器件

|2010-03-31

現(xiàn)代電子技術(shù)重慶高校黃慶探付紅橋張智海金珠0引言可編程電源指某些功能或參數(shù)可以通過計算機軟件編程進行限制的電源?？删幊屉娫吹膶崿F(xiàn)方法有許多種。其中，現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)具有性能好，規(guī)模大，可重復(fù)編程，開發(fā)投資小等優(yōu)點。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA的成本不斷下降，正漸漸成為各種電子產(chǎn)品不行或缺的重要部件。由于FPGA有著如此眾多的優(yōu)點，因此系統(tǒng)采納FPGA作為限制芯片，實現(xiàn)可編程電壓源系統(tǒng)，為須要可調(diào)電壓源的電子產(chǎn)品供應(yīng)高精度、高牢靠性的電壓。1系統(tǒng)設(shè)計采納Altera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8為限制芯片。通過Altera的IP工具MegaWizard管理器定制LPM_ROM宏功能模塊，用．mif格式文件存放產(chǎn)生電壓的數(shù)據(jù)；利用硬件描述語言(HDL)設(shè)計分頻電路、地址發(fā)生器或數(shù)據(jù)計數(shù)器等限制電路。地址發(fā)生器對ROM進行數(shù)據(jù)讀取。ROM中各單元的數(shù)據(jù)經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換電路，在DAC限制電路的作用下，串行數(shù)據(jù)從高位到低位讀入數(shù)／模轉(zhuǎn)換器中，數(shù)／模轉(zhuǎn)換器出來的模擬電壓信號經(jīng)過運算放大器放大后，得到所需的模擬電壓。系統(tǒng)框圖如圖1所示。依據(jù)項目需求，定制10b×32Word的LPM_ROM?？梢援a(chǎn)生32路1024階可調(diào)的電壓。此外，可以依據(jù)須要定制不同的位寬，不同單元數(shù)的LPM_ROM宏功能模塊，可以產(chǎn)生符合精度要求的多通道電壓。2限制電路設(shè)計2．1分頻電路模塊開發(fā)板供應(yīng)的系統(tǒng)時鐘為50MHz，系統(tǒng)的時鐘信號通過分頻模塊進行分頻，將分頻后的時鐘信號分別供應(yīng)應(yīng)限制電路模塊、地址發(fā)生器和并／串轉(zhuǎn)換電路作為時鐘限制信號。該模塊部分VHDL源程序如下：程序中，duty為限制占空比的參數(shù)；count為限制分頻的參數(shù)。通過變更duty和count兩個參數(shù)，得到占空比及分頻數(shù)可調(diào)的時鐘信號，極為便利。2．2其他模塊的實現(xiàn)其他限制模塊包括地址發(fā)生器、DAC限制電路、并／串轉(zhuǎn)換電路。存儲數(shù)據(jù)中只讀存儲器ROM是通過QuartusII軟件中MegaWizardPlug-InManager吩咐定制元件的。地址發(fā)生器產(chǎn)生地址信號addr_tom和讀使能信號clk_rom，對ROM中的數(shù)據(jù)進行讀取。讀取到的數(shù)據(jù)data為并行數(shù)據(jù)，由于采納的是串行數(shù)據(jù)輸入的數(shù)／摸轉(zhuǎn)換器，所以要進行并／串轉(zhuǎn)換。data并行數(shù)據(jù)在load使能信號的作用下，賦植給寄存器data_q，經(jīng)并／串轉(zhuǎn)換電路對data_q進行從高位到低位的并／串轉(zhuǎn)換。在DAC限制電路產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)信號clk_dac和片選信號cs_dac的作用下，轉(zhuǎn)換電路的輸出信號從高位到低位串行讀入數(shù)／模轉(zhuǎn)換器DAC中。完整程序如下：2．3程序仿真在QuartusⅡ軟件中，用原理圖的方式把上面兩個程序例化成工程。圖2為例化后的結(jié)果。ROM中的數(shù)據(jù)采納．mif格式進行存儲。ROM中存儲的數(shù)據(jù)如圖3所示。對工程進行全編譯，用啟動仿真器對工程進行功能仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出，din_DAC輸出的數(shù)據(jù)與ROM內(nèi)寫入的數(shù)據(jù)完全一樣。clk_dac和cs_dac：也完全滿意數(shù)／模轉(zhuǎn)換器所需的限制信號。圖4仿真波形輸出3數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和運算放大器的設(shè)計采納TI公司的TLC5615和OPA551分別作為數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和運算放大器。TLC5615是10位電壓輸出型數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換輸出如式(1)所示。從式(1)可看出，數(shù)／模轉(zhuǎn)換輸出由參考電壓VREFIN和輸入數(shù)據(jù)Code確定，輸出精度達到1／1024，因此可以達到很高的調(diào)壓精度。兩款元器件均采納DIP封裝形式，可以即插即用，加上價格不高，特殊適合用來試驗。數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和運算放大器的硬件連接原理圖如圖5所示。OPA采納同相輸入，放大后的輸出電壓值為：V2=V1(1+R3／R2)

(2)通過變更R3和R2的值，在輸入不變的條件下便可變更輸出電壓。4試驗結(jié)果取Vref=2．16V，R1=2．5kΩ，R2=3kΩ，R3=15kΩ，V+=30V。V_=-30V，ROM中的數(shù)據(jù)如圖6所示。試驗只用到ROM的30個單元數(shù)據(jù)，即只產(chǎn)生30路可編程電壓。把．sof文件加載到FPGA中。試驗結(jié)果在示波器顯示如圖7所示。圖7中上邊曲線為放大后的電壓，下面曲線為數(shù)／模轉(zhuǎn)換輸出的電壓。依據(jù)式(1)算出數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓最大值Vmax=4．315V．測得值為4．32V。依據(jù)式(2)算出Vmax=25．89V，測得值為26．0V。圖7中各階輸出電壓均與圖6中數(shù)據(jù)相對應(yīng)。實際測試結(jié)果與理論計算相吻合。試驗表明，系統(tǒng)的精度高，穩(wěn)定性強。5結(jié)語利用FPGA可以便利定制IP核，可重復(fù)編程，可在線調(diào)試的諸多優(yōu)點，在變更ROM的地址單元數(shù)及各單元數(shù)據(jù)以及變更分頻模塊的參數(shù)，極其便利地產(chǎn)生所需的可編程多路電壓。通過試驗表明，系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定，精度高，可調(diào)范圍大（0-26V），適合為電子元件或者對多像素的元件提電源。此外，本文給出了完整的程序代碼、原理圖參數(shù)，具有肯定的工程參考價值。參考文獻1.邱榮斌,陸元成.PIC單片機的可編程電源的設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(3):53-55.2.閏守成,趙匯強.可編程電源系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與限制,2006,14(4):519-520.3.黎旺星,藍運維.高精度穩(wěn)壓恒流可編程電源的研制[J].自動化與儀器儀表,2007(1):54-56.4.李建民,鄭賓.基于虛擬儀器的可編程電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].機械工程與自動化,2008,12(6):24-26.5.周博,邱衛(wèi)東.挑戰(zhàn)SoC基于NIOS的SoPC設(shè)計與實踐[M].北京:清華高校出版社,2004.6.薛小剛,葛毅敏.XilinxISE9.XFPGA/CPLD設(shè)計指南[M