數字電壓表的VHDL設計與實現

　　在硬件電子電路設計領域中，電子設計自動化(EDA)工具已成為主要的設計手段，而VHDL語言則是EDA的關鍵技術之一，它采用自頂向下的設計方法，即從系統總體要求出發，自上至下地將設計任務分解為不同的功能模塊，最后將各功能模塊連接形成頂層模塊，完成系統硬件的整體設計。本文用FPGA芯片和VHDL語言設計了一個數字電壓表，舉例說明了利用VHDL語言實現數字系統的過程。

1系統組成及工作原理
　　整個數字電壓表的硬件結構如圖1所示。

　　系統的核心電路由FPGA完成，本設計選用了Altera公司的EPlKl00QC208-3芯片，用VHDL語言對它進行設計，實現三大功能模塊：(1)控制模塊，激活A/D轉換器動作、接收A/D轉換器傳遞過來的數字轉換值；(2)數據處理模塊，將接收到的轉換值調整成對應的數字信號；(3)掃描、顯示模塊，產生數碼管的片選信號，并將數值處理模塊輸出的BCD碼譯成相應的7段數碼驅動值。
　　工作時，系統按一定的速率采集輸入的模擬電壓，經ADC0804轉換為8位數字量，此8位數字量經FPGA處理得到模擬電壓的數字碼，再輸入數碼管獲得被測電壓的數字顯示。
　　此電壓表的測量范圍：0～5V，三位數碼管顯示。

2FPGA功能模塊的設計
　　數字電壓表的三大模塊都是用VHDL語言編程實現的。
2.1控制模塊
　　用狀態機作法，產生ADC0804的片選信號、讀/寫控制信號，通過狀態信號INTR判斷轉換是否結束；轉換結束后將轉換數據鎖存并輸出。其狀態轉換圖如圖2所示。

2.2數據處理模塊
　　ADC0804是8位模數轉換器，它的輸出狀態共有28=256種，如果輸入信號Vin為0～5V電壓范圍，則每兩個狀態值為5/(256-1)，約為0.0196V，故測量分辨率為0.02V。常用測量方法是：當讀取到DB7～DB0轉換值是XXH時，電壓測量值為U≈XXH×0.02V；考慮到直接使用乘法計算對應的電壓值將耗用大量的FPGA內部組件，本設計用查表命令來得到正確的電壓值。
　　在讀取到ADC0804的轉換數據后，先用查表指令算出高、低4位的兩個電壓值，并分別用12位BCD碼表示；接著設計12位的BCD碼加法，如果每4位相加結果超過9需進行加6調整。這樣得到模擬電壓的BCD碼。

　　本模塊的功能仿真結果如圖3所示；當轉換數據為00010101，通過查表高4位0001是0.32V，而低4位0101是0.1V，最后的電壓輸出結果是0.32V+0.1V=0.42V，它的BCD碼表示為000001000010，仿真結果正確。
2.3掃描、顯示模塊
　　如圖4所示，CLK是掃描時鐘，其頻率為1kHz，由給定的40MHz時鐘分頻得到；DATAIN是數據處理模塊輸出的電壓值的BCD碼；SEL是數碼管的片選信號；POINT是數碼管小數點驅動；通過掃描分別輸出3位電壓值的BCD碼DATAOUT，并通過DISP將BCD碼譯成相應的7段數碼驅動值，送數碼管顯示。

3結束語
　　本文設計的VHDL語言程序已在MAXPLUSⅡ工具軟件上進行了編譯、仿真和調試，并通過編程器下載到了EP1K100QC208-3芯片。經過實驗驗證，本設計是正確的，其電壓顯示值誤差沒有超過量化臺階上限(0.02V)。本文給出的設計思想也適用于其他基于PLD芯片的系統設計。