采用FPGA的可編程電壓源系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

概述：介紹一種基于FPGA的可編程電壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用FPGA為控制芯片，應(yīng)用QuartusⅡ軟件和硬件描述語(yǔ)言為工具，通過(guò)數(shù)／模轉(zhuǎn)換和運(yùn)放把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)操作靈活方便，穩(wěn)定性強(qiáng)，調(diào)壓精度高，電壓可調(diào)范圍大(O～26 V)，具有很好的實(shí)用性和工程參考價(jià)值。

可編程電源指某些功能或參數(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編程進(jìn)行控制的電源。可編程電源的實(shí)現(xiàn)方法有很多種。其中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)具有性能好，規(guī)模大，可重復(fù)編程，開(kāi)發(fā)投資小等優(yōu)點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA的成本不斷下降，正逐漸成為各種電子產(chǎn)品不可或缺的重要部件。由于FPGA有著如此眾多的優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)采用FPGA作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)可編程電壓源系統(tǒng)，為需要可調(diào)電壓源的電子產(chǎn)品提供高精度、高可靠性的電壓。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用Altera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8為控制芯片。通過(guò)Altera的IP工具M(jìn)egaWizard管理器定制LPM_ROM宏功能模塊，用．mif格式文件存放產(chǎn)生電壓的數(shù)據(jù)；利用硬件描述語(yǔ)言(HDL)設(shè)計(jì)分頻電路、地址發(fā)生器或數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器等控制電路。地址發(fā)生器對(duì)ROM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。ROM中各單元的數(shù)據(jù)經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換電路，在DAC控制電路的作用下，串行數(shù)據(jù)從高位到低位讀入數(shù)／模轉(zhuǎn)換器中，數(shù)／模轉(zhuǎn)換器出來(lái)的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后，得到所需的模擬電壓。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

根據(jù)項(xiàng)目需求，定制10 b×32 Word的LPM_ROM。可以產(chǎn)生32路1 024階可調(diào)的電壓。此外，可以根據(jù)需要定制不同的位寬，不同單元數(shù)的LPM_ROM宏功能模塊，可以產(chǎn)生符合精度要求的多通道電壓。

2 控制電路設(shè)計(jì)
2．1 分頻電路模塊
開(kāi)發(fā)板提供的系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz，系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)分頻模塊進(jìn)行分頻，將分頻后的時(shí)鐘信號(hào)分別提供給控制電路模塊、地址發(fā)生器和并／串轉(zhuǎn)換電路作為時(shí)鐘控制信號(hào)。該模塊部分VHDL源程序如下：