数字电压表的VHDL设计与实现
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。
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(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。?
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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。
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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。
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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。
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