数字电压表的VHDL设计与实现

介绍数字电压表的组成及工作原理，论述了基于VHDL语言和FPGA芯片的数字系统的设计思想和实现过程。
　　关键词：数字电压表；VHDL语言；FPGA

VHDL Realization of Digital Voltmeter

ZHAO Xiaobo, LIU Zhanwei, LI Sujuan

(Department of Computer, Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang050043, China)

Key words: digital voltmeter; VHDL; FPGA

在硬件电子电路设计领域中，电子设计自动化(EDA)工具已成为主要的设计手段，而VHDL语言则是EDA的关键技术之一，它采用自顶向下的设计方法，即从系统总体要求出发，自上至下地将设计任务分解为不同的功能模块，最后将各功能模块连接形成顶层模块，完成系统硬件的整体设计。本文用FPGA芯片和VHDL语言设计了一个数字电压表，举例说明了利用VHDL语言实现数字系统的过程。

整个数字电压表的硬件结构如图1所示。

工作时，系统按一定的速率采集输入的模拟电压，经ADC0804转换为8位数字量，此8位数字量经FPGA处理得到模拟电压的数字码，再输入数码管获得被测电压的数字显示。
　　此电压表的测量范围：0～5V，三位数码管显示。

数字电压表的三大模块都是用VHDL语言编程实现的。
2.1控制模块
　　用状态机作法，产生ADC0804的片选信号、读/写控制信号，通过状态信号INTR判断转换是否结束；转换结束后将转换数据锁存并输出。其状态转换图如图2所示。

ADC0804是8位模数转换器，它的输出状态共有28=256种，如果输入信号Vin为0～5V电压范围，则每两个状态值为5/(256-1)，约为0.0196V，故测量分辨率为0.02V。常用测量方法是：当读取到DB7～DB0转换值是XXH时，电压测量值为U≈XXH×0.02V；考虑到直接使用乘法计算对应的电压值将耗用大量的FPGA内部组件，本设计用查表命令来得到正确的电压值。
　　在读取到ADC0804的转换数据后，先用查表指令算出高、低4位的两个电压值，并分别用12位BCD码表示；接着设计12位的BCD码加法，如果每4位相加结果超过9需进行加6调整。这样得到模拟电压的BCD码。
　
　　本模块的功能仿真结果如图3所示；当转换数据为00010101，通过查表高4位0001是0.32V，而低4位0101是0.1V，最后的电压输出结果是0.32V+0.1V=0.42V，它的BCD码表示为000001000010，仿真结果正确。
2.3扫描、显示模块
　　如图4所示，CLK是扫描时钟，其频率为1kHz，由给定的40MHz时钟分频得到；DATAIN是数据处理模块输出的电压值的BCD码；SEL是数码管的片选信号；POINT是数码管小数点驱动；通过扫描分别输出3位电压值的BCD码DATAOUT，并通过DISP将BCD码译成相应的7段数码驱动值，送数码管显示。

本文设计的VHDL语言程序已在MAXPLUSⅡ工具软件上进行了编译、仿真和调试，并通过编程器下载到了EP1K100QC208-3芯片。经过实验验证，本设计是正确的，其电压显示值误差没有超过量化台阶上限(0.02V)。本文给出的设计思想也适用于其他基于PLD芯片的系统设计。