一种基于FPGA的新型数字电压表研究与设计

　　数字电压表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。本文采用National Semiconductor。公司性能优越的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 设计方案比较

　　采用双积分式模／数转换器为核心器件，称为双积分式电压表。在一个测量周期内，将被测电压Ui加到积分器的输入端，在确定的时间内进行积分。然后切断输入电压，在积分器的输入端加与Ui极性相反的电压U，进行定值积分，但积分方向相反，直到积分输出达到起始电平为止，从而将Ui转换成时间间隔量进行测量。只要用计数器累计时间间隔内的脉冲数，即为Ui之值。电路简单，便于维护。但电压表的测量精度完全受限于模／数转换的精度。而且系统无升级空间。

　　另外，采用单片机作为系统的控制核心。输入信号经模／数转换后送到单片机进行数据处理，根据不同电压信号计算出不同数值，并送出显示。这种方案优点是的单片机技术成熟、运算功能较强、编程灵活、设计成本也较低，能较准确地测量输入电压。但在单片机系统中必须使用许多分立元件组成其外围电路，整个系统显得十分复杂，可靠性较低，抗干扰能力差，而且功耗高。

　　采用现场可编程门阵列即FPGA为系统核心，是当今电子产品设计的热门发展方向。系统最大限度地将所有器件集成在FPGA芯片上，体积大大减小、集成度高，可靠性高。而且逻辑单元控制灵活、适用范围极广，实现了大规模和超大规模电路的集成。其硬件功能完全由软件编程实现，修改调试方便，在不改变原有电路的基础上便可实现系统升级。较好地克服了另外两种方案的缺陷，具有自己独特的优势。综合上述分析，采用FPGA技术，优势明显。

　　2 系统工作原理

　　首先，被测电压信号进入A／D转换器，FPGA中控制信号模块发出控制信号，启动A／D转换器进行转换，其采样得到的数字信号数据在相应的码制转换模块中转换为显示代码。最后译码驱动模块发出显示控制与驱动信号，驱动外部的LCD模块显示相应的数据。通过外部的键盘，可以手动对系统进行复位控制和档位选择，不同的档位决定不同的电压输入范围，在程序中实现自动转换。基本工作原理框图如图1所示。

　　3 关键电路设计

　　3．1 A／D转换电路