基于FPGA的可編程電壓源系統設計技術分類：可編程器件

|2010-03-31

現代電子技術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可以通過計算機軟件編程進行限制的電源。可編程電源的實現方法有許多種。其中，現場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)具有性能好，規模大，可重復編程，開發投資小等優點。隨著微電子技術的發展，FPGA的成本不斷下降，正漸漸成為各種電子產品不行或缺的重要部件。由于FPGA有著如此眾多的優點，因此系統采納FPGA作為限制芯片，實現可編程電壓源系統，為須要可調電壓源的電子產品供應高精度、高牢靠性的電壓。1系統設計采納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格式文件存放產生電壓的數據；利用硬件描述語言(HDL)設計分頻電路、地址發生器或數據計數器等限制電路。地址發生器對ROM進行數據讀取。ROM中各單元的數據經串／并轉換電路，在DAC限制電路的作用下，串行數據從高位到低位讀入數／模轉換器中，數／模轉換器出來的模擬電壓信號經過運算放大器放大后，得到所需的模擬電壓。系統框圖如圖1所示。依據項目需求，定制10b×32Word的LPM_ROM?？梢援a生32路1024階可調的電壓。此外，可以依據須要定制不同的位寬，不同單元數的LPM_ROM宏功能模塊，可以產生符合精度要求的多通道電壓。2限制電路設計2．1分頻電路模塊開發板供應的系統時鐘為50MHz，系統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應限制電路模塊、地址發生器和并／串轉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；count為限制分頻的參數。通過變更duty和count兩個參數，得到占空比及分頻數可調的時鐘信號，極為便利。2．2其他模塊的實現其他限制模塊包括地址發生器、DAC限制電路、并／串轉換電路。存儲數據中只讀存儲器ROM是通過QuartusII軟件中MegaWizardPlug-InManager吩咐定制元件的。地址發生器產生地址信號addr_tom和讀使能信號clk_rom，對ROM中的數據進行讀取。讀取到的數據data為并行數據，由于采納的是串行數據輸入的數／摸轉換器，所以要進行并／串轉換。data并行數據在load使能信號的作用下，賦植給寄存器data_q，經并／串轉換電路對data_q進行從高位到低位的并／串轉換。在DAC限制電路產生讀數據信號clk_dac和片選信號cs_dac的作用下，轉換電路的輸出信號從高位到低位串行讀入數／模轉換器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為例化后的結果。ROM中的數據采納．mif格式進行存儲。ROM中存儲的數據如圖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。仿真結果如圖4所示。從仿真結果可以看出，din_DAC輸出的數據與ROM內寫入的數據完全一樣。clk_dac和cs_dac：也完全滿意數／模轉換器所需的限制信號。圖4仿真波形輸出3數／模轉換器和運算放大器的設計采納TI公司的TLC5615和OPA551分別作為數／模轉換器和運算放大器。TLC5615是10位電壓輸出型數／模轉換器，其轉換輸出如式(1)所示。從式(1)可看出，數／模轉換輸出由參考電壓VREFIN和輸入數據Code確定，輸出精度達到1／1024，因此可以達到很高的調壓精度。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／模轉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試驗結果取Vref=2．16V，R1=2．5kΩ，R2=3kΩ，R3=15kΩ，V+=30V。V_=-30V，ROM中的數據如圖6所示。試驗只用到ROM的30個單元數據，即只產生30路可編程電壓。把．sof文件加載到FPGA中。試驗結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／模轉換輸出的電壓。依據式(1)算出數／模轉換器的輸出電壓最大值Vmax=4．315V．測得值為4．32V。依據式(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中數據相對應。實際測試結果與理論計算相吻合。試驗表明，系統的精度高，穩定性強。5結語利用FPGA可以便利定制IP核，可重復編程，可在線調試的諸多優點，在變更ROM的地址單元數及各單元數據以及變更分頻模塊的參數，極其便利地產生所需的可編程多路電壓。通過試驗表明，系統產生的電壓穩定，精度高，可調范圍大（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，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計[J].單片機與嵌入式系統應用,2008(3):53-55.2.閏守成,趙匯強.可編程電源系統的設計與實現[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控系統軟件設計[J].機械工程與自動化,2008,12(6):24-26.5.周博,邱衛東.挑戰SoC基于NIOS的SoPC設計與實踐[M].北京:清華高校出版社,2004.6.薛小剛,葛毅敏.XilinxISE9.XFPGA/CPLD設計指南[M