CPLD器件在单片机控制器中的使用

模拟信号接口  

模拟信号输入接口
　　
当控制对象不需要高速采样、高速调节时，采用图1控制器方框图中所示的模数转换形式，能够充分发挥CPLD器件逻辑宏单元可编程的长处。V/F转换器把输入的电压信号转为频率信号，供CPLD器件中的计数器(图1中未画出)计数，从而把模拟量转换成数字量。该计数器的字长、进制、模式根据需要可任意编程设定，比使用单片机内的计数器灵活方便。此处不详叙。  
　　
当控制对象为高速系统时，可采用并行A/D转换集成电路，这时宜采用并行口控制，可通过单片机或CPLD器件按常规方式对A/D电路的进行。  

模拟信号输出接口
　　
输出的调节信号，可采用脉宽调制(PWM)波形加低通滤波器方式，很方便地实现数模转换。PWM频率越高，滤波效果越好，数模转换通道如图6所示。  
　　
图7是在CPLD器件内设计的一个8位计数器PWM波形发生器的示例。填入不同的计数初值，将在PWMOUT端相应输出不同占空比的脉冲串(见图8)。  


图6　数模转换通道示意图  


图7　8位计数器PWM波形发生器示例图  


图8　脉宽调制波形比较图  
　　
在图7中，时钟脉冲从P32引脚输入，WRN是写选通信号输入端，PWMOUT是输出端。  
　　
如果只使用CPLD器件，PWM波的周期和脉宽形成电路会比较复杂。结合单片机以后，PWM波形的周期就是单片机定时访问该计数器的WRN信号的周期，脉宽由单片机通过数据总线(DATA0～7)填入的计数初值决定。减少了CPLD器件内可编程逻辑宏单元或逻辑块数量的消耗。在图6中，整形电路主要起限幅、隔离作用。限幅之后，使幅度保持一致，并加大脉冲的上升沿和下降沿的陡削度，保证后级转换的电压幅度主要取决于脉宽，减少附加误差。  
　　
滤波电路影响到转换的线性度，根据不同的课题要求，可采用无源滤波器、有源一阶、二阶低通滤波器。巴特沃兹型滤波器具有平坦的通带幅频特性，最适于本转换电路方式的需要。以图9所示巴特沃兹二阶低通滤波器为例，其截止频率fo为：  




图9　二阶低通滤波器  
　　
截至频率fo应该大于信号带宽边沿，但是要远小于PWM信号的频率。滤波器R，C的取值直接影响转换后的纹波幅度和转换速率，两者对R，C的要求正相反，应均衡考虑。必要时，通过实验选取合适的数值。  
　　
脉宽调制(PWM)波加低通滤波而实现数模转换的电路，其精度主要取决于计数器的字长、PWM的频率、低通滤波器的形式和元件选型。注意到这几点，转换效果令人满意。本文以8位计数器举例，实际应用中，考虑种种因素，一般采用10～14位计数器。  
　　
图6中的功率放大级主要是把滤波器输出的信号，以适当的放大、反馈形式，转换成符合Ⅱ型仪表、Ⅲ型仪表规定的电压、电流信号，或转换成其他触发控制信号，以便与被控对象连接，调节其工作状态。  

结语  
　　
CPLD器件的物理机制像74系列、CD4000系列集成电路那样，纯属硬件电路，十分可靠。繁杂的开发工作是依赖功能强大的EDA软件实现的，入门门槛较低，易于初学者上手。目前正被越来越多的设计者青睐，普及推广只是时间问题。  
　　
随着微电子技术的发展，相信CPLD器件会有长足的进步，可能会与微机日益紧密结合，以致两者间界限模糊，你中有我，我中有你。  
　　
研制产品时，使CPLD器件与单片机的有机结合，不但缩短了开发周期，而且控制器配置灵活、修改方便、适应性强，加大了研制的自由度。容易满足用户的多元需求，从而争得商机。