基于FPGA的可编程电压源系统的设计与实现

1 系统设计

　　采用Altera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8为控制芯片。通过Altera的IP工具MegaWizard管理器定制LPM_ROM宏功能模块，用.mif格式文件存放产生电压的数据;利用硬件描述语言(HDL)设计分频电路、地址发生器或数据计数器等控制电路。地址发生器对ROM进行数据读取。ROM中各单元的数据经串/并转换电路，在DAC控制电路的作用下，串行数据从高位到低位读入数/模转换器中，数/模转换器出来的模拟电压信号经过运算放大器放大后，得到所需的模拟电压。系统框图如图1所示。

　　根据项目需求，定制10 b×32 Word的LPM_ROM。可以产生32路1 024阶可调的电压。此外，可以根据需要定制不同的位宽，不同单元数的LPM_ROM宏功能模块，可以产生符合精度要求的多通道电压。

　　2 控制电路设计

　　2.1 分频电路模块

　　开发板提供的系统时钟为50 MHz，系统的时钟信号通过分频模块进行分频，将分频后的时钟信号分别提供给控制电路模块、地址发生器和并/串转换电路作为时钟控制信号。该模块部分VHDL源程序如下：

　　程序中，duty为控制占空比的参数;count为控制分频的参数。通过改变duty和count两个参数，得到占空比及分频数可调的时钟信号，极为方便。

　　2.2 其他模块的实现

　　其他控制模块包括地址发生器、DAC控制电路、并/串转换电路。存储数据中只读存储器ROM是通过QuartusII软件中Mega Wizard Plug-In Manager命令定制元件的。地址发生器产生地址信号addr_tom和读使能信号clk_rom，对ROM中的数据进行读取。读取到的数据data为并行数据，由于采用的是串行数据输入的数/摸转换器，所以要进行并/串转换。data并行数据在load使能信号的作用下，赋植给寄存器data_q，经并/串转换电路对data_q进行从高位到低位的并/串转换。在DAC控制电路产生读数据信号clk_dac和片选信号cs_dac的作用下，转换电路的输出信号从高位到低位串行读入数/模转换器DAC中。完整程序如下：

　　2.3 程序仿真

　　在QuartusⅡ软件中，用原理图的方式把上面两个程序例化成工程。图2为例化后的结果。

　　ROM中的数据采用.mif格式进行存储。ROM中存储的数据如图3所示。

　　对工程进行全编译，用启动仿真器对工程进行功能仿真。仿真结果如图4所示。从仿真结果可以看出，din_dac输出的数据与ROM内写入的数据完全一致。clk_dac和cs_dac：也完全满足数/模转换器所需的控制信号。

　　3 数/模转换器和运算放大器的设计

　　采用TI公司的TLC5615和OPA551分别作为数/模转换器和运算放大器。TLC5615是10位电压输出型数/模转换器，其转换输出如式(1)所示。

　　从式(1)可看出，数/模转换输出由参考电压VREFIN和输入数据Code决定，输出精度达到1/1 024，因此可以达到很高的调压精度。

　　两款元器件均采用DIP封装形式，可以即插即用，加上价格不高，特别适合用来实验。数/模转换器和运算放大器的硬件连接原理图如图5所示。OPA采用同相输入，放大后的输出电压值为：

　　通过改变R3和R2的值，在输入不变的条件下便可改变输出电压。

　　4 实验结果

　　取Vref=2.16 V，R1=2.5 kΩ，R2=3 kΩ，R3=15 kΩ，V+=30 V。V_=-30 V，ROM中的数据如图6所示。

　　实验只用到ROM的30个单元数据，即只产生30路可编程电压。把.sof文件加载到FPGA中。实验结果在示波器显示如图7所示。

　　图7中上边曲线为放大后的电压，下面曲线为数/模转换输出的电压。根据式(1)算出数/模转换器的输出电压最大值Vmax=4.315 V.测得值为4.32 V。根据式(2)算出Vmax=25.89 V，测得值为26.0 V。图7中各阶输出电压均与图6中数据相对应。实际测试结果与理论计算相吻合。实验表明，系统的精度高，稳定性强。

　　5 结 语

　　利用FPGA可以方便定制IP核，可重复编程，可在线调试的诸多优点，在改变ROM的地址单元数及各单元数据以及改变分频模块的参数，极其方便地产生所需的可编程多路电压。通过实验表明，系统产生的电压稳定，精度高，可调范围大(0-26V)，适合为电子元件或者对多像素的元件提电源。此外，本文给出了完整的程序代码、原理图参数，具有一定的工程参考价值。