新型数字电压表的设计方案（2）

3.1A/D转换电路

　　实现A/D转换的方法比较多，常见的有计数法、双积分法和逐次逼近法。由于逐次逼近式A/D转换具有速度快，分辨率高等优点，而且采用该法的ADC芯片成本较低，因此在设计中采用该种方式。逐次逼近式A/D转换器的原理如图2所示。它由逐次逼近寄存器、D/A转换器、比较器和缓冲寄存器等组成。当启动信号由高电平变为低电平时，逐次逼近寄存器清0，这时，D/A转换器输出电压V。也为O，当启动信号变为高电平时，转换开始，同时，逐次逼近寄存器进行计数。转换原理如图2所示。

　　逐次逼近寄存器工作时与普通计数器不同，它不是从低位向高位逐一进行计数和进位，而是从最高位开始，通过设置试探值来进行计数。在第一个时钟脉冲到来时，控制电路把最高位送到逐次逼近寄存器，使它的输出为10000000，这个输出数字一出现，D/A转换器的输出电压V。就成为满量程值的128/255。这时，若Vo>Vi则作为比较器的运算放大器的输出就成为低电平，控制电路据此清除逐次逼近寄存器中的最高位;若Vo≤Vi则比较器输出高电平，控制电路使最高位的1保留下来。

　　若最高位被保留下来，则逐次逼近寄存器的内容为10000000，下一个时钟脉冲使次低位D6为1。于是，逐次逼近寄存器的值为11000000，D/A转换器的输出电压Vo到达满量程值的192/255。此后，若Vo>Vi则比较器输出为低电平，从而使次高位域复位;若Vo

　　这里采用的ADC0809是单片双列直插式集成芯片，是8通道8位A/D转换器，其主要特点是：分辨率为8位;总的不可调误差±1LSB;当模拟输入电压范围为0～5V时，可使用单一的+5V电源;转换时间为100μs;温度范围-40～+85℃;不需另加接口逻辑可直接与CPU连接;可以输入8路模拟信号;输出带锁存器;逻辑电平与TTL兼容。

　　ADC0809带有8位转换器、8位多路切换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它的8位A/D转换器转换方法为逐次逼近法。在A/D转换器的内部，含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256R分压器，以及一个逐次逼近的寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号。其工作框图如图3所示。

　　该A/D转换器无需调零和满量程调整。由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，易于与微处理器进行接口。

　　如图3所示，它由两大部分所组成：第一部分是8通道多路模拟开关，它用于控制C，B，A端子和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中;第二部分为一个逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、控制逻辑、输出缓冲锁存器、逐次逼近寄存器以及开关树组和256R电阻分压器组成。后两种电路，即开关树和256R电阻分压器，组成了D/A转换器。控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取1，然后将此数字量送到开关树组，即8位开关，用来控制开关S7～S0与参考电平相连接。参考电平经256R电阻分压器，输出一个模拟电压Uo，Uo，Ui在比较器中进行比较。当Uo>Ui时，本位D=O;当Uo≤Ui时，则本位D=1。因此，从D7～D0比较8次即可逐次逼近寄存器中的数字量，即与模拟量Ui所相当于的数字量相等。此数字量送入输出锁存器，并同时发转换结束脉冲。

　　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0～5V，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5V，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～5V时，INO导通。此时U=U26，当输入电压范围为5～50V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5V时，转换电路对输入电压的分辨能力为：

3.3FPGA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。

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