基于CPLD的高分辨率AD轉換電路設計

陸從青，吳建輝

(東南大學集成電路(IC)學院，南京 210096)

隨著科技的飛速發展、高分辨率的數模混合電路的應用不斷深入，電路設計日趨復雜，精度越來越高，所以高精度AD轉換電路的設計就成了儀器儀表及各種測量控制系統的難點。本系統來源于儀器儀表的溫控系統設計，采用高精度、低溫漂的優質模擬、數字器件，輔以52系列單片機為控制器，以復雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Array Logic)為頻率測試的硬件平臺，實現了高分辨率、低線性誤差的AD轉換器的設計。通過本設計掌握高精度、低漂移的高端AD轉換器的設計方法， CPLD的設計，以及52系列單片機的硬件設計及軟件編程。

1 系統功能及結構

系統主要目的是設計一個16 位的VFC式AD轉換器，利用積分原理，將輸入電壓(或電流)轉換成頻率輸出。采用計數頻率高的CPLD器件實現測頻，單片機控制CPLD的測頻操作和頻率的計算[1]。

用V/F轉換器完成AD轉換，需要1 個定時器和2路計數器，計數器的計數頻率限制了V/F器件輸出頻率的提高。本設計采用計數頻率更高的CPLD器件和單片機共同組成測速模塊， CPLD通用性好，避免了對于專用器件的依賴，降低了因專用器件停產或出現供貸問題所帶來的風險，同時實現所需的控制。

VFC式AD轉換器脈沖頻率與輸入電壓成比例，其精度高、線性度好、轉換速度居中、轉換位數與速度可調、與CPU的連線最少，且增加轉換位數時不會增加與CPU的連線，因此， VFC為AD轉換技術提供了一種廉價而有效的解決辦法[2]。

系統總體可以劃分為電壓采樣部分、模擬-數字轉化部分，控制部分。其中電壓采樣部分包括：精密測試電壓源。模擬-數字轉化部分包括：電壓放大和偏置， V/F轉換模塊，計數轉化模塊。控制部分包括：控制器模塊，鍵盤，顯示模塊，系統原理框如圖1所示。

為實現各模塊的功能，分別選取了較好的方案實現：①精密基準源，精密低溫漂高檔基準源，分壓；②電壓放大及偏置，運算放大器ICL7650；③V/F轉換，采用AD652芯片；④頻率測試，采用CPLD(復雜可編程邏輯器件)；⑤控制器，采用凌陽的SPEC061A單片機；⑥顯示，采用液晶屏；⑦電氣隔離，采用光電耦合，所設計的系統如圖2所示。

圖1 系統原理框圖

圖2 所設計的系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 精密測試基準源

對于16位的AD轉換器，滿幅度輸入電壓僅為100 mV，如果要測試它的性能，則需要極高精度和非常低溫漂的基準源， 電路原理如圖 3 所示。AD586是AD公司高精度5 V的基準電壓源，溫漂低至2 10-6/℃，噪聲為100 nV/Hz，通過固定電阻和可調電阻進行分壓產生0 ～100 mV的電壓。為了增加電壓的負載能力，須進行電壓跟隨。OPA333是零漂移精密運放，漂移最大為0.05 μV/℃。同時采用兩個2.5 V的基準源LM 336以降低電源波動的影響。 LM336 的輸出 電流為 10 mA， 可滿 足OPA33的需要。分壓用的電阻為指針式10 圈可調，可以達到理想的精度。

圖3 基準源電路原理圖

2.2 電壓的放大及偏置

0 ～100 mV的電壓不能直接送給 V/F變換AD652，而必須經過精密放大和進行電位的偏置，這樣才能達到設計的精度。選擇具有斬波穩定功能的ICL7650運算放大器，它可以提供低的偏置電流(10 pA)、偏置電壓和相對時間、溫度的穩定性。輸入的0 ～100 mV電壓經過40倍的放大后，產生0 ～4 V的輸出，因為AD652在0 V輸入的情況下，輸出頻率也是0，這樣計數得到頻率難以達到16 位的精度，所以將輸入(0 ～4 V)的直流偏置設置為1 V，從而產生1 ～5 V的輸入信號送給AD652；運放的電阻須選用1/1 000 精度的，保證了V/F變換的精度。其原理圖如圖4所示。

圖4 電壓放大偏置原理圖

2.3 V/F轉換電路

電壓/頻率轉換即V/F轉換，是將一定的輸入電壓信號按線性的比例關系轉換成頻率信號，當輸入電壓變化時，輸出頻率也響應變化[3]。

本設計采用專用集成芯片AD652，輔以的外圍電路即可實現V/F轉換，如圖5所示。AD652是美國ANALOG DEVICES公司推出的高精度電壓頻率(V/F)轉換器，它由積分器、比較器、精密電流源、單穩多諧振蕩器和輸出晶體管組成。該電路在±15 V電源電壓下，功耗電流小于15 mA，滿刻度為1 MHz時其非線性度小于0.07 %， 最佳溫度穩定性為±150 ppm/℃。用AD652實現V/F轉換，可以滿足較高的滿刻度頻率響應和較低的最佳溫度穩定性[4]。

圖5 V/F轉換電路

由于使用外部時鐘設置滿量程輸出頻率，AD652可以獲得更高的線性度和穩定性。通過使用同一時鐘驅動AD652和設置計數時間閘門，轉換精度與時鐘頻率無關，不因時鐘頻率的改變而改變。

2.4 基于CPLD的頻率計電路

在本系統中， CPLD采用美國XILINX公司生產的XC95108CPLD(復雜可編程邏輯器件)，其片內有108個宏， 2 400個門，頻率可以達125 MHz，引腳間延時715 ns，供電電壓5 V或313 V的在系統可編程器件，其可供用戶使用的I/O口數在64個以上。XC95108采用FLASH編程工藝，可反復擦寫，所設計的電路如圖6所示。

由于輸入的信號是交流信號而CPLD(可編程邏輯器件)和施密特觸發器是數字芯片，不識別負信號，需將輸入交流信號變為直流信號，用兩個電阻實現電壓鉗位功能，鉗位后的信號經7414(施密特觸發器)整形為方波后直接輸入CPLD對其計數。由于CPLD可以實現高速響應，可以實現準確計數。

頻率計測得的數據為此系統的AD轉換結果，轉換精度受基準晶振和AD652的V/F滿刻度時的量程的影響， 由于CPLD的基準晶振選用的是 20 MHz的高精度晶振。設計的 AD轉換頻率為 50 kHz，所以在計數周期內基準晶振脈沖個數為400，CPLD因為隨機時間出現的誤差僅為一個脈沖，而AD652的滿刻度頻率高，可達1 MHz，所以精度可達到幾千分之一。

圖6 基于CPLD的頻率計電路原理圖

2.5 單片機控制電路

控制部分采用凌陽 SPEC061A單片機。SPCE061A是凌陽科技新推出的一個16位結構的微控制器，它在2.6 ～3.6 V工作電壓范圍內的工作速度范圍為0.32 ～49.152 MHz，較高的工作速度使其應用領域更加拓寬[5]。2 K字節SRAM和32 K字閃存ROM僅占一頁存儲空間， 32位可編程的多功能I/O端口；兩個16位定時器/計數器；32 768 Hz實時時鐘；低電壓復位/監測功能；8通道10位模-數轉化輸入并具有自動增益控制功能的麥克風輸入方式：雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能等[6]。 SPCE061A是數字聲音和語音識別產品的一種最經濟的應用。在本系統中， SPCE061A主要實現CPLD信息讀取，鍵盤接口和顯示模塊控制等功能。

圖7 單片機結構框圖

2.6 顯示接口設計

在顯示方面，由于LCD(LiquidCrystalDISplay)具有以下特點：

(1)低工作電壓，低功耗。

(2)顯示柔和，字跡清晰。

(3)不怕強光照射，光照越強，對比度越大，顯示效果越好。

(4)體積小，重量輕，平板型。

(5)可靠性高，壽命長。

因此本設計采用128×64的圖形點陣液晶顯示器來顯示頻率流量信息，液晶采用4行顯示，顯示信息豐富，可以滿足不同用戶的需求。同時，該液晶采用串口傳輸數據，每秒刷屏一次，節約了單片機的資源，為今后的繼續開發和升級打下基礎。

2.7 其它輔助抗干擾措施

一般來說，測控系統的功能設計與制作并不復雜，功能設計不過的是系統設計的起點，系統能否在運行過程中準確無誤地實現這些功能才是系統設計的關鍵。由于實際工作環境中存在各種各樣的干擾源，這些干擾源對系統的可靠運行往往會產生不利，甚至會產生意想不到事，更有甚者的是造成整個系統的癱瘓和無法工作運行，導致實驗生產設備的損壞和事故的發生，因此，測控系統的抗干擾防范措施在整個系統的設計中占有舉足輕重的位置。本設計增加了如耦合電路、后備電源監測系統、印刷電路板等硬件抗干擾設計，減少干擾源對系統的可靠運行所帶來的不利影響[7-8]。

3 系統通信流程及軟件的實現

系統中的應用軟件是根據系統功能要求設計的，總的原則主要從以下幾方面考慮：

(1)根據軟件功能要求，將系統軟件分成若干個相對獨立的部分。根據它們之間的聯系和時間上的關系，設計出合理的軟件總體結構，使其清晰、簡潔、流程合理；

(2)采用結構化程序設計，各功能程序實行模塊化、子程序化。既便于調試、鏈接， 又便于移植、修改；

(3)建立正確的數學模型。根據功能要求，描述出各個輸入和輸出變量之間的數學關系，它是關系到系統性能好壞的重要因素；

(4)為提高軟件設計的總體效率，以簡明、直觀的方法對任務進行描述，在編寫應用軟件之前，繪制出程序流程圖。這不僅是程序設計的一個重要組成部分，而且是決定成敗的關鍵部分；

(5)合理分配系統資源，其中最關鍵的是片內內存分配。分配時應充分發揮其特一長，做到物盡其用；

(6)加強軟件的抗干擾設計，提高計算機應用系統的可靠性。根據以上設計原則，軟件設計采用模塊結構，整個軟件包括主程序、采樣子程序數據處理子程序、顯示子程序等模塊。

根據以上原則要求設計了系統的軟件程序流程圖如圖8所示：

圖8 控制程序流程圖

4 測試結果及分析

對所設計的電路的V/F轉換的性能進行了測試，結果如圖9所示。

圖9 V/F轉換測量對比值

通過示波器觀察，每秒鐘50 000個脈沖，即轉換頻率為50 kHz。由測試結果圖可知此次VF轉換滿足了高分辨率和較低的非線性度的要求，分辨率可達16位，線性誤差＜0.2%，轉換頻率可達50 kHz。

5 結論

本次設計應用V/F轉換器實現高分辨率AD轉換，具有較高的滿刻度頻率響應、低功耗和較低的非線性度等特點，廣泛應用于儀器儀表對溫度的控制中，滿足對設定溫度控制穩定性的要求。在系統設計中采用CPLD實現頻率計數功能，是數字系統精確測量頻率一種方法：在采樣時間內同時對標準頻率信號和被測頻率信號計數。采樣完成后，把二者的計數值相比，再乘以標準頻率就可以得到被測頻率的精確值。

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