数字电压表设计与仿真.docx

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数字电压表设计与仿真

数字电压表设计与仿真

摘要：

本文简要的阐述了EDA，分析了VHDL语言的基本特色，阐述了VHDL语言所具有的强大设计功能合广泛的应用领域，并将其应用于具体数字电路设计。

目前电子技术的发展主要体现在EDA领域，数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。

电子设计自动化是近几年迅速发展起来的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子设计学科。

其中EDA设计语言中的VHDL语言是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述、电路合成、电路仿真等三大电路设计工作。

本电压表的电路设计正是用VHDL语言完成的。

此次设计主要应用的软件是美国ALTERA公司自行设计的一种EDA软件工具，即MAX+PLUSⅡ。

本次所设计的电压表的测量范围是-24V～+24V，精度为0.19V。

本文设计的VHDL语言程序已在MAXPLUSII工具软件上进行了编译、仿真和调试。

经过实验验证，本设计是正确的，其电压显示值误差没有超过量化台阶上限（0.19V）。

本文给出的设计思想也适用于其他基于FPGA芯片的系统设计；本设计具有工程应用价值。

关键词：

数字电压表；VHDL语言；ADC0804；FLEX10K

TheDesignandStimulationofDigitalVoltmeterMeter

Abstract：

EDAtechnologyisbrieflyintroduced,VHDLlanguageanditsbasicfeaturesaneanalyzed.ThisarticleintroducesVHDLwhichhasastrongdesignalfunctionandextensiveapplicationandappliesitinconcretecircuitdesign.

ThedevelopofthecurrentelectronictechnologyisincarnatedtheEDArealm.Thedesignofdigitalsystemisbecomingfaster,bulkier,smallerandlighterthanbefore.Electronicdesignautomationisinthelastfewyearsquicklydevelop,itmakesuseofsoftware,hardware,micro-electronicstechnologytoformacourseofelectronicdesign.Amongthem,theVHDLlanguageofEDAisakindoftooloffastcircuitdesign,thefunctioncoveredthecircuitdescribe,thecircuitsynthesize,thecircuitimitatethetrueetc.ThecircuitofthisdesignthatuseVHDLlanguagetocomplete.ThethistimedesignisprimarilytheappliedsoftwareisMAX+PLUSⅡwhichismadebytheUnitedStatesALTERAcompany.Thissystem’srangeis-24vto+24vandprecisionis0.19v.

ThedesignedVHDLlanguageprocessinpaperhasbeencoded,stimulatedandadjustedinMAXPLUSIT,andthroughtheexperiment,itisprovedtobeencorrect,asthevoltagevaluedoesn'texceedupperlimitofquantifiedstep（0.19V）.ThedesignideainpaperalsocanbeappliedinothersystemdesignwhichbasedonFPGAchip;andthedesignhasengineeringapplicationvalue.

Keywords:

DigitalMeter；VHDLlanguage；ADC0804；FLEX10K

第1章绪言

20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。

微电在技术的进步表现在大规模集成电路加工技术,即半导体工艺技术的发展上，表征半导体工艺水平的线宽已经达到90nm（2003年）,并还在不断地缩小;在硅片单位面积上;集成更多的晶体管.集成电路设计在不断地向超大规模.极低功耗和超高速的方向发展;专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的设计成本不断降低,在功能上,现代的集成电路以能实现单片电子系统SoC（SystemonaChip）的功能。

现代电子设计技术的核心EDA（ElectronicDesginAutomation）技术。

EDA技术就是依靠功能强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL（HardwaerDescriptionLanguage）为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编译,逻辑化简,逻辑分割,逻辑综合.结构综合（布局布线）。

以及逻辑优化和仿真测试,直至显示既定的电子线路系统功能.EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式,即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。

从另以方面来看,在现代高新电子产品设计和生产中,微电子技术和现代电子设计技术是相互促进,相互推动又相互制约的俩个技术环节,前者代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现的发展,后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件有机的融合和升华。

因此,严格地说，EDA技术应该是这二者的结合,是这俩个技术领域共同孕育的奇葩。

1.1课题简介

在硬件进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确立，计算机辅助工程，辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用，与此同时电子技术在通信，计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求，极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展。

特别是集成电路设计工艺步入超深亚微米阶段，百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC设计技术的应用，促进了EDA技术的形成。

更为重要的是各EDA公司致力于推出兼容各硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件的研究，都将EDA技术推向成熟。

EDA关键技术之一就是采用硬件描述语言对硬件电路进行描述，且具有系统级仿真和综合能力。

VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计，支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述、覆盖面广、抽象能力强。

因此在实际应用中越来越广泛。

本设计课题是基于VHDL的数字电压表的设计。

数字电压表简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。

数字电压表是数字仪表的基础和核心。

在现代电子应用中,数字仪表起着非常重要的作用.数字仪表有着普通仪表所不能达到的各种优势:

读数准确,在测量后不用多次反复测量来估算真实值。

设计简单,可以随身携带,使用上更加方便,快捷。

可以随时随地测量。

等等一系列的优势,使得数字电压表在当今电子应用中随心所欲,在各个项目中都有所表现。

本试验的目的就是要完成A/D转换器的设计,并在此基础上应用VHDL语言编程来完成数字电压表的设计。

测量的范围是-24-+24V.然后在硬件电路下载验证。

本次试验的意义在于能够熟练使用EDA器件和MAX+PLusⅡ软件。

能对大学4年所学的东西进行归纳和总结,凭所学知识应用当前硬件条件来完成本次设计。

在本次设计中,EDA技术作为现代电子技术的核心,其中应用十分巨大,充分体现了EDA技术的广泛性和可靠性。

作为一个仿真软件MAX+PLusⅡ随时对本次设计进行了硬件测试和验证。

使得能够随时更改VHDL语句,使本次设计越来越向成功靠近。

1.2VHDL语言

VHDL（硬件描述语言）是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。

VHDL诞生于1982年，它的英文全名是VHSICHardwareDescriptionLanguage，而VHSIC则是VeryHighSpeedIntegeratedCircuit的缩写词，意为甚高速集成电路。

1.2.1VHDL简介

VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计，支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，覆盖面广，抽象能力强，因此在实际应用中越来越广泛。

1.2.2VHDL的主要特点

VHDL的主要特点有：

1作为硬件描述语言的第一个国际标准，VHDL具有很强的可移植性.

②具有丰富的模拟仿真语句和库函数，随时可对设计进行仿真模拟，因而能将设计中逻辑上的错误消灭在组装之前，在大系统的设计早期就能查验设计系统功能的可行性。

③设计层次较高，用于较复杂的计算时，能尽早发现存在的问题，从而缩短设计周期。

④VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。

⑤支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。

⑥对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动地把VHDL描述设计转变成门级网表。

⑦VHDL用源代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活又方便，同时也便于设计结果的交流、保存和重用.

1.2.3VHDL的优点

第一,覆盖面广，描述能力强，是一个多层次的硬件描述语言。

在VHDL语言中，设计的原始描述可以非常简练，经过层层加强后，最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。

第二，具有良好的可读性，即容易被计算机接受，也容易被读者理解。

第三，使用期长，不会因工艺变化而使描述过时。

因为VHDL的硬件描述与工艺无关，当工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。

第四，支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。

一个大规模的设计不可能由一个人独立完成，必须由多人共同承担，VHDL为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。

1.3课题现状和展望

数字电压的发展从一九五二年美国NLS公司由四位电子管数字电压表精度千分之一到现在已出现8位数字电压表。

参数可测直流电压、交流电压、电流、阻抗等。

测量自动化程度不断提高，可以和计算机相配合，显示、计算结果然后打印出来。

目前世界上美国FLUKE公司。

在直流和低频交流电量的校准领域居国际先进水平。

例如该公司生产的“4700A”多功能校准器和“8505”微机数字多用电压表。

可用8位显示，直流精度可达到士百万分之五，读数分辨力0.1pV。

带有A/D变换模式、数据输出接口型式IEEE-488。

具有比率测量软件校准和有交流电阻，电流选件。

还有高精度电压标准器“5400A”、“5200A”、“5450A”数字仪表，都是作为一级计量站和国家级计量站使用的标准仪表。

还有英国的“7055”数字电压表采用脉冲调宽技术。

日本横河公司生产的“2501”型采用三次采样等等在不断的蓬勃发展。

回顾一下DVM的发展过程，大致可以分为以下四个阶段。

1.3.1数字化阶段

20世纪50年代到60年代中期，DVM的特点是运用各种原理实现模/数（A/D）转换，即将模拟量转化成数字量，从而实现测量仪表的数字化。

1952年，第一台问世的数字电压表是采用电子管的伺服比较式；1956年出现谐波式V/T（电压/时间变换型）；1961年出现全晶体管化的逐次逼近比较式；1963年出现电压/频率（V/F）变换型（单积分式）；1966年出现双积分式（双斜式）等。

这一时期的显示位数是3.5-5.5位

1.3.2高准确度阶段

由于精密电测量的需要，DVM开始向高准确、高位数方向发展，出现了所谓复合型原理的仪表。

如1971年日本研制的TR-6567（三次采样积分式）；1973年英国研制的SM-215（两次采样电感分压比较型）；1972年日本研制的TR-6501型DVM已达到了8位数。

与此同时对积分方案进行了改进和提高，出现了如Dana公司的6900型（7位）、Solartron公司生产的7075型（8位），其准确度可达到百万分之几。

1.3.3智能化阶段

由于电子技术、大规模集成电路（LSI）及计算机技术的发展，是人们不久就研制出微处理器（

P）数字电压表，实现了DVM数据处理自动化和可编程序，因为带有存储器并使用软件支持，所以可以进行信息处理，可通过标准接口组成自动测试系统（ATS）例如，Fluke公司的8506型、Solartron公司的7065型和7081型、Datron公司的1071和1281型，以及Fluke公司的最新产品8508A型等。

它们除了完成原有DVM的各种功能外，还能够自校、自检，保证了自动测量的高准确度，实现了仪器、仪表的智能化。

当前，智能式仪表发展十分迅速，而微处理式DVM在智能仪表中占的比重最大。

智能化的DVM为实现各种物理量的动态测量提供了可能。

1.3.4新技术展望

20世纪90年代初世界各国相继研发了新的A/D转换技术。

例如：

四斜率A/D转换技术（美国）、余数再循环技术（美国）、自动校准技术（英国）、固态真有效值转换技术（英国）、约瑟夫森效应基准源（

稳定度）、智能化专用芯片（80C51系列，荷兰）等，这些新技术使数字电压表向高准确度、高可靠性及智能化、低成本方向发展。

由CMOS数字IC、模拟IC及微处理器集成在一个超大规模集成电路内，只须在外围配置少量元器件，即可构成完整的智能仪表。

可以完成存储、计算、比较、控制等多项功能。

实际上数字电压表并不能完全取代指针式电压表。

在反映电压的连续变化和变化趋势方面不如指针表直观。

为克服这种缺憾，20世纪90年代初，一种“数字/光柱（模拟条各）”的双重显示仪表已经出现，并成功地应用于生产实践中。

DVM（数字电压表）、DMM（数字万用表）是当今应用极为广泛、高性价比、喜受广大测试工作者欢迎的最基本的电子测量仪表。

DVM和DMM中的关键部件是A/D转换器。

A/D转换器主要有双积分、多重积分和PWM（脉宽调制）的V-T转换型、v-F转换型（单积分式）、斜坡比较型、逐次逼近比较型、余数再循环式、复合型等。

初期多用分立元件构成A/D，继而出现双积分型、逐次逼近比较型电路结构的A/D转换器TC芯片。

逐次比较型A/D芯片：

像0804、0809、AD574等，主要用于计算机接口电路；双积分受A/D芯片：

如7106、NJU9207F、14433、7107、7135、7555等，则专用于设计、制造DVM，DMM，它们亦可由uP/uC程控。

这类便携式DVM/DMM主要用于测量D.C./A.C.电压、电流、LCR值和检测二极管、晶体管、测量、测频、在线测试等。

当前，在DVM和DM中开始采用新型的A/D专用IC芯片和声、图等新技术，使数字电压表和数字万用表功能神通，面貌一新。

近年来由于新型IC、LCD/LED、SMD（表面安装器件）、uP/uC、密封精密薄膜电阻、优质积分电容及相应的程序软件用于数字电压表且微电子技术和计算机多媒体技术对电子测量与仪器的影响，使得DVM/DMM的功能大为扩展，性能显著提高，智能化、自动化、模块化、总线系统化（VXIbus、IEEE-488bus，etc.），工作可靠，使用方便，价格低廉。

具有测值，示波、综合时域、频域、数据域，调制域测试功能并可理解人的自然语言和体势语言的高度智能化电子仪器将会出现。

这些强占优势的新技术、新器件，对于我们众多的测试与仪表计量专业人员无疑值得借鉴和取用，以对实际工作有所裨益。

1.4课题的意义和目的

多年来，在测量技术领域中，各种模拟指针式电表、电位计、电桥及分压箱等测量设备一直占据着主导地位。

这些仪器仪表虽然有工作稳定、可靠、结构简单等多种优点，但操作麻烦、速度慢、量程范围小，不能实现自动化测量。

数字式仪表克服了这些缺点，自问世以来发展迅猛，其应用范围也越来越广泛。

DVM的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表。

数字化是当前计量仪器仪表发展的回族要方向之一。

而高准确度DC-DVM的出现，又使DVM进入了精密标准测量领域。

与此相适应，测量的可靠性、准确性显得越来越重要。

DC-DVM的准确度已从10-4提高到10-5～10-6数量级。

使用这种仪表都必须通过计量检定作技术保证，倘若盲目使用，不考虑DC-DVM的实际误差和校准误差等因素，往往会造成错误的读数。

使用者也不能单纯按DVM的显示位数评估指标，必须用计量标准校验其测量误差的大小。

在电测量技术领域中，直流电位差计、直流电桥、直流电阻分压箱、直流和交流指针式电压表、电流表、功率表及相位表等作为计量标准仪器仪表使用已有悠久的历史，其量值传递和周期检定已自成系统。

如今数字式仪表在计量系统中，大部分可以取代上述各种仪器仪表。

因此，各种数字仪表也必须纳入计量检测系统。

近40年来，我国除研制生产了大批数字仪表外，还从国外进口了大量的高准确度的数字仪表，由于缺乏计量管理，使用不当，量值转递不统一，损坏返修和待测工作量很大，甚至造成了很大的经济损失。

测量是一种认识的过程，就是用实验的方法将被测量与所选用单位的相同参量进行比较，从而确定它的大小。

科学技术和结构工艺也与测量息息相关。

现代化的测量仪器仪表是科学成果之一，但离开测量技术，科学便无从发展。

例如，各种物理定律的正确性就必须通过精密的测试来验证。

正是坚持理论与实验定量的一致性，才使科学技术获得进步并促进国民经济迅速发展。

由此可见，各种仪器仪表的计量检定和性能检测在科学实验和国民经济中的地位是多么重要。

DVM广泛应用在测量领域中，其测量结果的准确度和可信性取决于它的主要性能和技术指标。

评价某种DVM性能的优劣，产品质量是否合格，是否满足技术指标的要求，必须通过正确的检定和测试结果才能分析判断出来。

数字电压表的应用十分广泛，其准确度也越来越高。

因此，研究它的检定测试方法，分析掌握它的工作原理和技术指标，是计量测试部门、科研单位、生产厂家、使用和维修单位的一项重要技术工作。

为了充分发挥数字电压表的许多突出优点，必须掌握它的技术性能、检定方法和测量技术。

第2章A/D转换器的设计

数字电压表的设计，包含有电压的测量和显示。

除了使用VHDL语言来设计FPGA芯片外，还必须再引入一个重要的IC——A/D（模拟/数字）转换器，来负责将模拟信号的物理量，如电压值3V，转换为二进制数值，如00110001。

而激活A/D转换器动作、接收A/D转换器传递过来的数字转换值、以及转换值调整成能对应的数字信号和显示数值的功能，将全部有FPGA实现。

A/D转换目标：

将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号,它包括四个步骤：

采样、保持、量化、编码。

采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量。

保持就是由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。

数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。

量化就是将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程。

编码就是用二进制代码来表示各个量化电平的过程。

量化单位越小，整量化的误差也越小，数字量也越接近连续量本身的值。

模拟量种类繁多，包括各种各样的物理量，但是，我们这里只讨论电压/数字变换。

实际上，很多物理量先被变换成电压（用各种传感器），然后再由电压变换成数字量，所以电压/数字变换是A/D变换的重点，用电压/数字变换器单独做成的测量仪表即为数字电压表。

所以我们在设计接口电路时应注意选择合适的转换芯片，采用合理的电路结构，以满足应用系统的技术性能和使用要求。

数字电压表（DVM）分为直流数字电压表以及交流电压表两类。

2.1A/D转换器的设计

A/D转换器是将模拟量转换成为数字量的线性电路器件.它:

按速度分为超高速（<=330ns）,次高速（330ns-3.3µs）,高速（3.3µs-20µs）,中速（20µs-300µs）,慢速（>300µs）.

按分辨率分:

4位.8位.10位.12位等等

按原理分:

直接转换型:

逐次逼近（较高分辨率及速度）、并联比较.

间接转换型:

积分型（抗干扰、高分辨率、但速度慢）、电压/频率、电压/脉宽

2.1.1A/D转换的一般步骤和取样定理

图2.1模拟量到数字量的转换过程

在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。

因此，一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。

（1）取样定理

可以证明，为了正确无误地用2.2中所示的取样信号vS表示模拟信号vI，必须满足：

（式2.1）

式中fS取样频率，fimax为输入信号vI的最高频率分量的频率。

在满足取样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号vS还原为vI，这个低通滤波器的电压传输系数

在低于fimax的范围内应保持不变，而在fS－fimax以前应迅速下降为零，如图2.3所示。

因此，取样定理规定了A/D转换的频率下限。

图2.2对输入模拟信号的采样图2.3还原取样信号所用滤波器的频率特性

因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。

可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。

（2）量化和编码

我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是连续的。

这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。

因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。

所规定的最小数量单位叫做量化单位，用Δ表示。

显然，数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于Δ。

把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。

这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。

既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被Δ整除，因而不可避免的会引入误差，我们把这种误差称为量化误差。

在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。

假定需要把0～+1V的模拟电压信号转换成3位二进制代码，这时便可以取Δ=（1/8）V，并规定凡数值在0～（1/8）V之间的模拟电压都当作0×Δ看待，用二进制的000表示；凡数值在（1/8）V～（2/8）V之间的模拟电压都当作1×Δ看待，用二进制的001表示，……等等，如图2.4（a）所示。

不难看出，最大的量化误差可达Δ，即（1/8）V。

为了减少量化误差，通常采用图2.4（b）所示的划分方法，取量化单位Δ=（2/15）V，并将000代码所对应的模拟电压规定为0～（1/15）V，