采用FPGA的可編程電壓源系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)計(jì)

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(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)軟件編程進(jìn)行控制的電源。可編程電源的實(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(kāi)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(guò)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(guò)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。可以產(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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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，其轉(zhuǎn)換輸出如式(1)所示。

??? 從式(1)可看出，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)。數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器的硬件連接原理圖如圖5所示。OPA采用同相輸入，放大后的輸出電壓值為：

通過(guò)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。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)／模轉(zhuǎn)換輸出的電壓。根據(jù)式(1)算出數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓最大值Vmax=4．315 V．測(cè)得值為4．32 V。根據(jù)式(2)算出Vmax=25．89 V，測(cè)得值為26．0 V。圖7中各階輸出電壓均與圖6中數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算相吻合。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

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(guò)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。