采用FPGA的可編程電壓源系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)
摘要： 介紹一種基于FPGA的可編程電壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),。采用FPGA為控制芯片，應(yīng)用QuartusⅡ軟件和硬件描述語(yǔ)言為工具,，通過數(shù)／模轉(zhuǎn)換和運(yùn)放把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào),。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)操作靈活方便,，穩(wěn)定性強(qiáng),，調(diào)壓精度高，電壓可調(diào)范圍大(O～26 V),，具有很好的實(shí)用性和工程參考價(jià)值,。
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Key words :
概述：介紹一種基于FPGA的可編程電壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用FPGA為控制芯片,，應(yīng)用QuartusⅡ軟件和硬件描述語(yǔ)言為工具,，通過數(shù)／模轉(zhuǎn)換和運(yùn)放把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明,，該系統(tǒng)操作靈活方便,，穩(wěn)定性強(qiáng)，調(diào)壓精度高,，電壓可調(diào)范圍大(O～26 V),，具有很好的實(shí)用性和工程參考價(jià)值,。
可編程電源指某些功能或參數(shù)可以通過計(jì)算機(jī)軟件編程進(jìn)行控制的電源?？删幊屉娫吹膶?shí)現(xiàn)方法有很多種,。其中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field ProgrammableGate Array,，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(diǎn),。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA的成本不斷下降,，正逐漸成為各種電子產(chǎn)品不可或缺的重要部件,。由于FPGA有著如此眾多的優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)采用FPGA作為控制芯片,，實(shí)現(xiàn)可編程電壓源系統(tǒng),，為需要可調(diào)電壓源的電子產(chǎn)品提供高精度、高可靠性的電壓,。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用Altera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8為控制芯片,。通過Altera的IP工具M(jìn)egaWizard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(yǔ)言(HDL)設(shè)計(jì)分頻電路,、地址發(fā)生器或數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器等控制電路。地址發(fā)生器對(duì)ROM進(jìn)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控制電路的作用下，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(lái)的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)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,。
根據(jù)項(xiàng)目需求,，定制10 b×32 Word的LPM_ROM?？梢援a(chǎn)生32路1 024階可調(diào)的電壓,。此外，可以根據(jù)需要定制不同的位寬,，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 控制電路設(shè)計(jì)
2．1 分頻電路模塊
開發(fā)板提供的系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz,，系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)通過分頻模塊進(jìn)行分頻,，將分頻后的時(shí)鐘信號(hào)分別提供給控制電路模塊,、地址發(fā)生器和并／串轉(zhuǎn)換電路作為時(shí)鐘控制信號(hào),。該模塊部分VHDL源程序如下：
程序中,，duty為控制占空比的參數(shù)；count為控制分頻的參數(shù),。通過改變duty和count兩個(gè)參數(shù),，得到占空比及分頻數(shù)可調(diào)的時(shí)鐘信號(hào)，極為方便,。
2．2 其他模塊的實(shí)現(xiàn)
其他控制模塊包括地址發(fā)生器,、DAC控制電路、并／串轉(zhuǎn)換電路,。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中只讀存儲(chǔ)器ROM是通過QuartusII軟件中Mega Wizard Plug-In Manager命令定制元件的,。地址發(fā)生器產(chǎn)生地址信號(hào)addr_tom和讀使能信號(hào)clk_rom，對(duì)ROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,。讀取到的數(shù)據(jù)data為并行數(shù)據(jù),，由于采用的是串行數(shù)據(jù)輸入的數(shù)／摸轉(zhuǎn)換器，所以要進(jìn)行并／串轉(zhuǎn)換,。data并行數(shù)據(jù)在load使能信號(hào)的作用下,，賦植給寄存器data_q，經(jīng)并／串轉(zhuǎn)換電路對(duì)data_q進(jìn)行從高位到低位的并／串轉(zhuǎn)換,。在DAC控制電路產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)信號(hào)clk_dac和片選信號(hào)cs_dac的作用下,，轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)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(gè)程序例化成工程,。圖2為例化后的結(jié)果。
ROM中的數(shù)據(jù)采用．mif格式進(jìn)行存儲(chǔ),。ROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)如圖3所示,。
對(duì)工程進(jìn)行全編譯，用啟動(dòng)仿真器對(duì)工程進(jìn)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)完全一致,。clk_dac和cs_dac：也完全滿足數(shù)／模轉(zhuǎn)換器所需的控制信號(hào),。
3 數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)
采用TI公司的TLC5615和OPA551分別作為數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器。TLC5615是10位電壓輸出型數(shù)／模轉(zhuǎn)換器,。數(shù)／模轉(zhuǎn)換輸出由參考電壓VREFIN和輸入數(shù)據(jù)Code決定,，輸出精度達(dá)到1／1 024，因此可以達(dá)到很高的調(diào)壓精度,。
兩款元器件均采用DIP封裝形式,，可以即插即用,，加上價(jià)格不高，特別適合用來(lái)實(shí)驗(yàn),。OPA采用同相輸入,，通過改變R3和R2的值，在輸入不變的條件下便可改變輸出電壓,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
取Vref=2．16 V,，R1=2．5 kΩ，R2=3 kΩ,，R3=15 kΩ,，V+=30 V。V_=-30 V,，ROM中的數(shù)據(jù)如圖6所示,。
實(shí)驗(yàn)只用到ROM的30個(gè)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,。
5 結(jié) 語(yǔ)
利用FPGA可以方便定制IP核，可重復(fù)編程,，可在線調(diào)試的諸多優(yōu)點(diǎn),，在改變ROM的地址單元數(shù)及各單元數(shù)據(jù)以及改變分頻模塊的參數(shù)，極其方便地產(chǎn)生所需的可編程多路電壓,。通過實(shí)驗(yàn)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(duì)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)，具有一定的工程參考價(jià)值,。
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