基于fpga的數(shù)控直流恒流源設(shè)計

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1、基于FPGA的數(shù)控直流恒流源設(shè)計蘇振宇浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司引言隨著數(shù)字電子技術(shù)和電子設(shè)計自動化的發(fā)展，在計量領(lǐng)域、電量和非電量測量的儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)中會普遍的應(yīng)用數(shù)控直流恒流源。數(shù)控直流恒流源與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電流源相比，具有操作方便、輸出電流穩(wěn)定、精確度高等特點。系統(tǒng)功能簡介本文設(shè)計的恒流源以FPGA為控制核心，包括FPGA主控模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)電路、電壓-電流(V/I)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)電路。通過鍵盤設(shè)定好期望輸出的電流值后，F(xiàn)PGA通過狀態(tài)機對該設(shè)定值進(jìn)行數(shù)字處理，經(jīng)DAC電路輸出電壓，再經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路后輸出相應(yīng)

2、的電流值。FPGA通過采樣V/I轉(zhuǎn)換電路上串接的采樣電阻的電壓，計算岀此吋電路的輸岀電流值并與設(shè)定值進(jìn)行比較，以控制DAC電路的輸岀，從而實現(xiàn)對恒流源的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出電流能實時與設(shè)定值保持一致。該數(shù)控直流恒流源具有以下功能：仃)可手動設(shè)定輸入電流值(范圍0、4A),輸出電流范圍是0~4A,步進(jìn)lmA;(2)可同時顯示電流的設(shè)定值和實測值；(3)輸岀電流恒定，紋波?。?4)輸出電流精度高，與設(shè)定值的課差小于ImA。系統(tǒng)總體設(shè)計木數(shù)控直流恒流源的原理如圖1所示，各個模塊的功能及釆用的芯片型號介紹如下。1.主控模塊采用FPGA作為主控模塊，負(fù)責(zé)控制其他模塊的工作，進(jìn)

3、行數(shù)字信號處理等。FPGA作為控制核心，其工作效率關(guān)系到系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。FPGA選用美國Altera公司CycloneTV系列的EP4CE6E144C8器件，該芯片的I/O引腳為91根,內(nèi)部RAM為34KB,邏輯單元（LE）6272個。其I0接口及內(nèi)部資源可以滿足該電源系統(tǒng)的設(shè)計需求，通過硬件描述語言VHDL設(shè)計數(shù)字狀態(tài)機，實現(xiàn)FPGA對各個模塊的控制。2.DAC轉(zhuǎn)換電路DAC模塊采用TT公司的12位DAC轉(zhuǎn)換器TLV5638,轉(zhuǎn)換精度高，該DAC模塊的輸出電壓是后而V/I轉(zhuǎn)換電路的輸入。3.V/I轉(zhuǎn)換電路V/1轉(zhuǎn)換電路由運算放大器和三極管設(shè)計實現(xiàn)，其中的運算放大器

4、采用了LM324o4.ADC轉(zhuǎn)換電路ADC模塊的作用是對恒流源輸出的電流進(jìn)行實時的采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后反饋至FPGA,FPGA再調(diào)整控制端的電壓，從而實現(xiàn)高精度的恒流輸出。ADC模塊采用了ADI公司的AD977A芯片，16b分辨率，具有精度高，采樣準(zhǔn)確的優(yōu)點，實現(xiàn)對恒流源采樣電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣，采樣電阻選用了阻值受溫度影響很小的康銅絲電阻。圖1數(shù)控直流恒流源的原理框圖下載原圖5.鍵盤鍵盤用于設(shè)定輸入的電流值及步進(jìn)值，包括“0、9”、“確認(rèn)”、“取消”、“步進(jìn)+”、“步進(jìn)等14個按鍵，利用FPGA豐富的10接口可以方便實現(xiàn)鍵盤功6.LCD顯示LCD模塊的作用是同時顯示

5、電流的設(shè)定值和實測值。采用的LCD型號是FYD12864,具有4位/8位并行，2線/3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字體庫的點陣圖形液晶顯示模塊;其顯示分辨率為128X64,內(nèi)置8192個16X16點漢字和128個16X8點ASCII字符集。利用LCD模塊靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，構(gòu)成了人機交互界面，可以顯示8X4行16X16點陣的漢字。7.FPGA配置芯片采用了Altera公司的EPCS4芯片，用于存儲FPGA的程序。每次上電后FPGA首先從EPCS4里加載程序。FPGA狀態(tài)機設(shè)計FPGA的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示，狀態(tài)機工作過程如下：(1)系

6、統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)行FPGA配置以及鍵盤、LCD等外圍設(shè)備的初始化工作，之后FPGA進(jìn)入空閑IDLE狀態(tài)；(2)當(dāng)有按鍵按下后，Key_pushdown信號變?yōu)楦唠娖?，F(xiàn)PGA進(jìn)入PUSH狀態(tài)。直到處理完所有的按鍵狀態(tài)，All_key_done信號變?yōu)楦唠娖?，F(xiàn)PGA進(jìn)入Displayl狀態(tài)，控制LCD芯片顯示設(shè)定的由流值；(3)FPGA之后進(jìn)入DAC狀態(tài)，根據(jù)按鍵信息配置DAC芯片的寄存器，DAC芯片輸岀對應(yīng)數(shù)字信號的模擬電壓。數(shù)模轉(zhuǎn)換完成后，DAC_done信號變?yōu)楦唠娖?，F(xiàn)PGA進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換狀態(tài)；⑷在ADC狀態(tài)FPGA控制｝DC芯片把采集到的采樣電阻兩端的電壓值轉(zhuǎn)

7、換為數(shù)字信號，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，ADC_donc信號變?yōu)楦唠娖?，F(xiàn)PGA進(jìn)入Judge狀態(tài)；(2)在Judge狀態(tài)FPGA比較采集到的數(shù)字信號與之前設(shè)定的電流值，如果兩者之差△I〈lmA,則進(jìn)入Display2狀態(tài);否則如果厶12lmA再次返回到DAC狀態(tài),調(diào)整控制端的電壓，從而實現(xiàn)高精度的恒流輸出；(3)在Display2狀態(tài)，F(xiàn)PGA控制LCD芯片顯示經(jīng)過反饋后的高精度電流值。FPGA最后進(jìn)入FINISH狀態(tài)，至此一次狀態(tài)機轉(zhuǎn)換流程結(jié)束，之后等待下次按鍵的輸入。電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計1.DAC轉(zhuǎn)換電路DAC轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，恒流源的輸出電流由