一種基于CPLD的16位VFC式AD轉(zhuǎn)換器設(shè)計

隨著科技的飛速發(fā)展、高分辨率的數(shù)?；旌想娐返膽?yīng)用不斷深入，電路設(shè)計日趨復雜，精度越來越高，所以高精度AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計就成了儀器儀表及各種測量控制系統(tǒng)的難點。本系統(tǒng)來源于儀器儀表的溫控系統(tǒng)設(shè)計，采用高精度、低溫漂的優(yōu)質(zhì)模擬、數(shù)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 （Comp lex Programmable Array Logic）為頻率測試的硬件平臺，實現(xiàn)了高分辨率、低線性誤差的AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。通過本設(shè)計掌握高精度、低漂移的高端AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法， CPLD的設(shè)計，以及52系列單片機的硬件設(shè)計及軟件編程。

　　1　系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

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

　　用V /F轉(zhuǎn)換器完成AD轉(zhuǎn)換，需要1個定時器和2路計數(shù)器，計數(shù)器的計數(shù)頻率限制了V /F器件輸出頻率的提高。本設(shè)計采用計數(shù)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?qū)Ｓ闷骷．a(chǎn)或出現(xiàn)供貸問題所帶來的風險，同時實現(xiàn)所需的控制。

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

　　系統(tǒng)總體可以劃分為電壓采樣部分、模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)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(shù)字轉(zhuǎn)化部分包括：電壓放大和偏置，V /F轉(zhuǎn)換模塊，計數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。控制部分包括：控制器模塊，鍵盤，顯示模塊，系統(tǒng)原理框如圖1所示。

　　為實現(xiàn)各模塊的功能，分別選取了較好的方案實現(xiàn)： 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(zhuǎn)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(shè)計的系統(tǒng)如圖2所示。

　　圖1　系統(tǒng)原理框圖

　　圖2　所設(shè)計的系統(tǒng)框圖

　　2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2. 1　精密測試基準源

　　對于16位的AD轉(zhuǎn)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(diào)電阻進行分壓產(chǎn)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. 05μV /℃。同時采用兩個2. 5 V的基準源LM336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(diào)，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(jīng)過精密放大和進行電位的偏置，這樣才能達到設(shè)計的精度。選擇具有斬波穩(wěn)定功能的ICL7650運算放大器，它可以提供低的偏置電 流（10pA） 、偏置電壓和相對時間、溫度的穩(wěn)定性。輸入的0～100 mV電壓經(jīng)過40倍的放大后，產(chǎn)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(shù)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(shè)置為1 V，從而產(chǎn)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。

　　2. 3　V /F轉(zhuǎn)換電路

　　電壓/頻率轉(zhuǎn)換即V /F轉(zhuǎn)換，是將一定的輸入電壓信號按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號，當輸入電壓變化時，輸出頻率也響應(yīng)變化。

　　本設(shè)計采用專用集成芯片AD652，輔以的外圍電路即可實現(xiàn)V /F轉(zhuǎn)換，如圖5所示。AD652是美國ANALOG DEV ICES公司推出的高精度電壓頻率（V /F）轉(zhuǎn)換器，它由積分器、比較器、精密電流源、單穩(wěn)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(wěn)定性為±150 ppm /℃。用AD652實現(xiàn)V /F轉(zhuǎn)換，可以滿足較高的滿刻度頻率響應(yīng)和較低的最佳溫度穩(wěn)定性。

　　圖5　V /F轉(zhuǎn)換電路

　　由于使用外部時鐘設(shè)置滿量程輸出頻率，AD652可以獲得更高的線性度和穩(wěn)定性。通過使用同一時鐘驅(qū)動AD652和設(shè)置計數(shù)時間閘門，轉(zhuǎn)換精度與時鐘頻率無關(guān)，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(tǒng)中， CPLD采用美國XIL INX公司生產(chǎn)的XC95108CPLD （復雜可編程邏輯器件） ，其片內(nèi)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(tǒng)可編程器件，其可供用戶使用的I/O口數(shù)在64個以上。

　　XC95108采用FLASH編程工藝，可反復擦寫，所設(shè)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(fā)器是數(shù)字芯片，不識別負信號，需將輸入交流信號變?yōu)橹绷餍盘?，用兩個電阻實現(xiàn)電壓鉗位功能，鉗位后的信號經(jīng)7414 （施密特觸發(fā)器）整形為方波后直接輸入CPLD 對其計數(shù)。

　　由于CPLD可以實現(xiàn)高速響應(yīng)，可以實現(xiàn)準確計數(shù)。

　　頻率計測得的數(shù)據(jù)為此系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)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20MHz的高精度晶振。設(shè)計的AD 轉(zhuǎn)換頻率為50kHz，所以在計數(shù)周期內(nèi)基準晶振脈沖個數(shù)為400，CPLD因為隨機時間出現(xiàn)的誤差僅為一個脈沖，而AD652的滿刻度頻率高，可達 1MHz，所以精度可達到幾千分之一。