数字电路课程设计报告基于FPGA的简易数控电压源的设计

目 录序言一、基于FPGA的数控电源的课题要求二、课程要求 1技术要求 2功能要求3工作原理4.本人的工作三、设计方案1原理图2框架图四、硬件电路的设计1按键作用2.FPGA的作用3.DAC0832的作用4、共阴极的数码管五、电路图的安装与调试六、收获与体会参考文献附录(元器件清单)一、 课题要求 本课题所介绍的数控稳压电源与传统电压相比，具有操作方便，电压稳定度高，其输出电压大小采用了数字显示的特点。主要用到了一块核心芯片FPGA其型号为EP2C5T144C8。本课题具体要求如下：（一）技术要求： 1.熟练掌握Quartus 6.0 软件的使用方法，同时能够对仿真波形进行一定的分析; 2.熟练掌握运用VHDL语言进行层次化设计；（二）功能要求 1.输出电压：范围0+9.9V，步进0.1V； 2.输出电压值由数码管进行动态显示； 3.由“+”、“-”两键分别控制输出电压的增减。（三）工作原理此数控直流稳压电源共有六个部分，输出电压的调节时通过+、-两键操作 ，步进电压精确到0.1V，控制可逆计数器分别作加、减计数，可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：一路用于驱动数字显示电路，精确显示当前输出电压值；另一路进入数模转换电路（D/A转换电路），数模转换电路将数字量按比例，转换成模拟电压。整个系统的工作原理就是数字控制部分用加减按键产生可增加或减少BCD码，BCD码通过二进制转化输入到DA变换，变换成相应的电压，此电压通过放大到合适的电平后加到可调稳压部分，控制输出电压一手动0.1v步进或步减。（四）本人的工作 1.硬件设计 2.焊接及其调试工作二、数控电源整体设计的原理图方框图：FPGA两输入开关“+”与“”数码管显示DA转换器调整输出1. 本设计FPGA采用的是DP2C5T144C8需要5V的工作电压2. 通过按钮向FPGA输入信号，FPGA得到增计数器或者减计数器的脉冲信号，开始计数；3. 计数器的信号则会分两部分输出来；一部分传到外部的显示器上，这里先用的是共阴极数码管，另一部分送给D/A转换，D/A再将数字量按比例转换成模拟电压，再经过调整，从而得到稳定的输出电压。三、数控电源硬件的整体设计1. 按键作用本系统需要中的脉冲信号时低电平有效，所以按上图的解法来接其中200ohm为保护电阻。当开关闭合时则有一个低电平信号输入FPGA。2FPGA的作用FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有： （1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 （3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。 （4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 （5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。 FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。3.DAC0832的作用（1）、DAC0832的管脚图（2）原理当ILE为高电平，片选信号 /CS 和写信号 /WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当 /WR1由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。对第二级锁存来说，传送控制信号 /XFER 和写信号 /WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当 /WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。其余各引脚的功能定义如下：(1)、DI7DI0 ：8位的数据输入端，DI7为最高位。(2)、IOUT1 ：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。(3)、IOUT2 ：模拟电流输出端2， IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。(4)、RFB ：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。(5)、VREF ：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。(6)、Vcc ：芯片供电电压，范围为(+5 15)V。(7)、AGND ：模拟量地，即模拟电路接地端。(8)、DGND ：数字量地。 4、共阴极的数码管1、共阴极数码管的结构共阴极数码管是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如下图所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。2、管脚图 5、OP07的作用 1、OP07的外形图2、OP07的管脚图3、电路图4、op07的功能介绍Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。5、特点超低偏移： 150V最大。 低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/month最大高电源电压范围： 3V至22V四、 硬件电路的安装于调试将上面几个电路全部按引脚连接到FPGA上，然后开始调试。调试分模块调试；1.数码管模块查看为选信号是否有用，然后给数码管强加高低不同的电平，看数码管能否在09范围内正常显示。2. D/A转换部分在DAC0832的8输入端给高低不同的电平，用万用表测试第一级运放的输出，观察其电压变化，应该在0负5V之间变化。调试中发现电压最大值不达标，后检查发现D/A的输出的7号角发生虚焊的情况3. 放大模块在测转换部分时顺便测下第二级运放的输出端电压是否正好为第一级电压的两倍。要是不准可以通过滑动变阻器来调节（电压范围对应010V）若硬件没有问题，我们就可以开始进行软硬件相结合的方法进行下一步调试。程序下载好后，连接号线路，通过按键看电压是否可以上下跳动，当然这里的电压要求要符合实验要求（电压09.9v,步进位0.1）。此处为了能跟好的看到电压的阶跃跳转，可以采用示波器来显示电压的波形的方法五、 调试结果经过两个人的共同努力，并最终达到实验要求：通过按钮控制电压的增减，显示部分电压能在0到9.9V内正常显示，并且最终输出电压与显示电压一致（误差极小），并且步进为0.1V。六、 收获与体会通告本次数字电路的课程设计，我学会了检测电路的时，把程序分模块一个一个下载到芯片当中，分开检测电路的功能，而不是把所有程序全部下载到芯片当中检测。在通过FPGA芯片下载时，下载进去不出现错误还好，要是出现错误，很难检查，二分模块检查就能很快的发现错误，发现错误在那一块，这样利于自己和自己同组的人检查，并改正错误。比如一开始硬件软件相结合的时候，发现最高输出的电压还是不达标，还是只能达到10V的一半，我前面也检查出这问题，但我觉得我前面查到这里的问题应该不会再错了，便检查了DAC0832， i7端口得不到高电平，然后设计软件的同学发现程序设计上的漏洞导致I7口就得不到信号。通过将第二个模块上OP07上串接一个47K的电位器，使得输出地范围调大，使得可以得到输出的电压的最大范围。还好在请教其他组同学的时解决了这个问题。 接基于FPGA的数控电源的硬件电路时，整整花了一天的时间连接电路，电路很复杂，如果在接上A/D转换器，可能工作两会更大。其实接上A/D转换器会使得输出地电压更加精确，使得误差尽可能的减小。当电路焊接好之后，将FPGA的电路连接到硬件的电路中，使得构成一个回路。在第一次检测电路的时候，居然电路中的数码管没有亮，这说明我电路还存在问题。然后检测了一下，同学们发现我的数码管的型号和她们的不同。后来换了SM4203g的数码管接到电路中。居然亮了。当按开关“+”或“-”的时候没反应，数码管也不计数。我再三检查了我的电路，感觉没有问题。我通过万用表检查电路，然后感觉开关不对，我就换了开关，通过对角连接，在经过检测，我的电路就开始计数了，但程序下载到FPGA中，当电路计数计到1.6V时，就开始复位了，通过一天的琢磨，我通过五六次的尝试，将定义好的的管脚一次一次的换接，在前几次先是计到1.6V的，但后几次居然跳的全是乱码。心开始乱了，但还是克制了，坚持到底就是好的。我连接到第五次的时候。我居然看到我的输出是跟我数码管上显示的数值是一样的。终于可以了。说实话，在做硬件的过程中，可以学到很多的。通过这次的课程设计，我不仅了解了数控电源的工作原理，收获最大的还在FPGA是一个现场可编程门阵列。（1）当电压调到0.1V的时候，数码管上显示的数值为0.1V，通过万用表测量的时候，输出的电压为0.11V.说明数码管显示的值与万用表上显示的值存在误差值为0.01V.（2）当电压调到9.9V时候的图片：数码管显示的是9.9V，然而通过万用表测出的输出电压也为9.9V，它们之间所存在的误差很小。七、元件清单EP22C5T1448 FPGA 1个数模转换 DAC0832 1个常开按钮 2个运放 OP07 2个排阻 102 8脚 1个滑动变阻器 10K 1个三极管 9013 2个数码管 共阴 2个插座 20脚 2个杜邦线 、排针 若干