基于FPGA的可编程电阻的设计

摘要：现在市场上的各种电阻和电阻箱有不足之处，不能满足一些研发场所的要求，为了解决这一问题，本文介绍一种基于FPGA的可直接输入阻值提供不同电阻的设计方法。FPGA通过控制继电器的吸合，从而确定与其并联的电阻的接入与否，最后通过电阻的叠加得到不同阻值。介绍了该设计的工作原理及软件设计思想，并有部分仿真结果。这种设计使用8421编码原则和硬件描述语言，减少了一些元器件的使用。相比于市场上的产品，其稳定性更高，抗干扰性更强，体积也更小，同时，它的操作更简便，显示更直观。
关键词：现场可编程门阵列；可编程；任意电阻

0 引言
电阻几乎是所有电路中必不可少的部分，常见的也有很多不同阻值的电阻，然而在一些电路中同一位置不同时刻还需要不同阻值，在一些精度要求不高的场合，可用滑动变阻器来实现，但是我们不能确定其具体阻值。随着技术的进一步发展，为了满足教学研某些场合的需要，阻值确定并可调的电阻箱应运而生。电阻箱提供阻值的原理是通过电阻的串并联得到的不同阻值，因而用到的电阻数量较多，精度也不够高，而且还需要对所需电阻的每一位数选择相应的档位，比较麻烦，也不够直观。而在一些生产应用中(如产品校验)需同时提供几组不同电阻，且要重复提供(如做产品老化检测实验)，这就需要将该阻值记录下来，而以前的电阻箱都不具备记忆功能，不能满足要求。
本文介绍了用FPGA来实现控制电阻的提供，用软件的方式来设计硬件，设计过程中可用有关软件进行各种仿真，同时整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低，可靠性高，又因为其内部有存储单元，所以能够满足上述的“记忆”功能。

1 硬件电路
基于FPOA的可编程电阻系统的硬件系统(如图1所示)主要由以下几个功能模块组成：


1．1 主控制器FPGA
FPGA(本设计中选用的是CyeloneII系列)控制中心是整个设计的核心，主要控制实现对系统的键盘输入进行处理，并根据输入的信息转换成输出数据，控制对应的继电器的吸合，从而得到不同的阻值。
以往可编程网络的主控制器有采用数字电路控制的，也有采用单片机控制的，本电路采用FPGA控制。EPGA是近几年来出现并被广泛应用的大规模集成电路器件，它的特点是直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低，上市时间短，技术维护简单，工作可靠性好等。因而用来设计可编程电阻其灵活性更好。
目前市场上主要生产FPGA产品的公司有Lattice、Xilinx、Altera。在教学过程中，一般使用Altera公司生产的FLEX系列和 Cyclone系列较多。鉴于产品的成本和通用性考虑，本实验中采用CycloneII，它是第二代低成本FPGA系列，它所拥有的独特性能有：NiosII嵌入式处理
器支持，嵌入式18*18数字信号处理乘法器，中等容量的片内存储器(能够满足本设计的要求)中等速度的I／O引脚和存储器接口。在性价比上更适合本设计，所以在本设计中选用此系列。
1．2 键盘输入电路
键盘输入电路主要实现输出电阻值大小的设定，本设计中采用的4*4简易键盘输入即可满足要求，可提供简单明了的数字键和功能键共16个键，包括：数字输入键：数字键0～9，按下数字键，输入一个数字，就可在对应的数码管上显示。
功能键：“电阻1”、“电阻2”本设计可以同时提供两组电阻，可以选择电阻1，也可以选择电阻2，提供一组电阻，也可以电阻1、电阻2同时选择提供两组电阻。
“存储”：每输入完一个数字后按一下存储键，以便能够将几个数据存储下来，运行后将按数据存储的先后顺序及预置的时间工作，循环提供数据。
“运行”：此键作为存储完数据后的启动键。
“停止”：停止提供电阻。
“复位”：可作为修改数据时用，按此键后可以使以前存储的数据都清零，然后重置一组数据。
1．3 继电器电阻网络
电阻网络。其原理图如图2所示，从图中可以看出，开关的闭合决定与其对应的电阻的接入与否，本设计中采用8421编码原理控制提各阻值。


本设计所供用的电阻要精确到0．1 Ω，所以，此电阻网络所使用的电阻都是精密电阻。这里我们以提供电阻阻值在1500Ω以内的电阻为例来说明。此电阻网络采用串联的方式来实现，8421编码方式只要控制相应的继电器，将其对应的精密电阻短接就可以实现。以1500 Ω以内电阻为例，只需16个电阻就可以满足要求。通过控制继电器J1至J16的断开或闭合，其对应的电阻就会接入或断开，最后接入的电阻串联相加就得输出的电阻值。
如通过键盘输入一个预置值，如果输入的数值为545．7Ω， 输出的阻值大小就可以表示R=400+100+40+4+1+0．4+0．2+0．1。即只需将这些电阻需要接入，相应的继电器J1、J2、J3、J5、 J7、J11、J13、J15要断开，其余的继电器则闭合，对应的二进制代码则为(0101 0100 0101 0111)B，通过此列可以看出用16个电阻就可以实现1500Ω以内的精度可达到O．1 Ω的任何电阻，使用电阻数量小，通过程序来控制电阻的接入，体积更小，同时，维护起来也更加方便，如果需要大于1500Ω的电阻，同样可以根据此原理来增加电阻(如8000、4000、2000、1000等)，因为此设计中同时提供两个电阻，因而还要16个同样的电阻，原理同上(根据不同场合如要提供三组或三组以上的电阻只需相应增加即可)。