基于FPGA的可编程电压源系统的设计与实现
1 系统设计
采用altera公司cyclone系列ep1c6q240c8为控制芯片。通过altera的ip工具megawizard管理器定制lpm_rom宏功能模块，用.mif格式文件存放产生电压的数据;利用硬件描述语言(hdl)设计分频电路、地址发生器或数据计数器等控制电路。地址发生器对rom进行数据读取。rom中各单元的数据经串/并转换电路，在dac控制电路的作用下，串行数据从高位到低位读入数/模转换器中，数/模转换器出来的模拟电压信号经过运算放大器放大后，得到所需的模拟电压。系统框图如图1所示。
根据项目需求，定制10 b×32 word的lpm_rom。可以产生32路1 024阶可调的电压。此外，可以根据需要定制不同的位宽，不同单元数的lpm_rom宏功能模块，可以产生符合精度要求的多通道电压。
2 控制电路设计
2.1 分频电路模块
开发板提供的系统时钟为50 mhz，系统的时钟信号通过分频模块进行分频，将分频后的时钟信号分别提供给控制电路模块、地址发生器和并/串转换电路作为时钟控制信号。该模块部分vhdl源程序如下：
程序中，duty为控制占空比的参数;count为控制分频的参数。通过改变duty和count两个参数，得到占空比及分频数可调的时钟信号，极为方便。
2.2 其他模块的实现
其他控制模块包括地址发生器、dac控制电路、并/串转换电路。存储数据中只读存储器rom是通过quartusii软件中mega wizard plug-in manager命令定制元件的。地址发生器产生地址信号addr_tom和读使能信号clk_rom，对rom中的数据进行读取。读取到的数据data为并行数据，由于采用的是串行数据输入的数/摸转换器，所以要进行并/串转换。data并行数据在load使能信号的作用下，赋植给寄存器data_q，经并/串转换电路对data_q进行从高位到低位的并/串转换。在dac控制电路产生读数据信号clk_dac和片选信号cs_dac的作用下，转换电路的输出信号从高位到低位串行读入数/模转换器dac中。完整程序如下：
2.3 程序仿真
在quartusⅱ软件中，用原理图的方式把上面两个程序例化成工程。图2为例化后的结果。
rom中的数据采用.mif格式进行存储。rom中存储的数据如图3所示。
对工程进行全编译，用启动仿真器对工程进行功能仿真。仿真结果如图4所示。从仿真结果可以看出，din_dac输出的数据与rom内写入的数据完全一致。clk_dac和cs_dac：也完全满足数/模转换器所需的控制信号。
3 数/模转换器和运算放大器的设计
采用ti公司的tlc5615和opa551分别作为数/模转换器和运算放大器。tlc5615是10位电压输出型数/模转换器，其转换输出如式(1)所示。
从式(1)可看出，数/模转换输出由参考电压vrefin和输入数据code决定，输出精度达到1/1 024，因此可以达到很高的调压精度。
两款元器件均采用dip封装形式，可以即插即用，加上价格不高，特别适合用来实验。数/模转换器和运算放大器的硬件连接原理图如图5所示。opa采用同相输入，放大后的输出电压值为：
通过改变r3和r2的值，在输入不变的条件下便可改变输出电压。
4 实验结果
取vref=2.16 v，r1=2.5 kω，r2=3 kω，r3=15 kω，v+=30 v。v_=-30 v，rom中的数据如图6所示。
实验只用到rom的30个单元数据，即只产生30路可编程电压。把.sof文件加载到fpga中。实验结果在示波器显示如图7所示。
图7中上边曲线为放大后的电压，下面曲线为数/模转换输出的电压。根据式(1)算出数/模转换器的输出电压最大值vmax=4.315 v.测得值为4.32 v。根据式(2)算出vmax=25.89 v，测得值为26.0 v。图7中各阶输出电压均与图6中数据相对应。实际测试结果与理论计算相吻合。实验表明，系统的精度高，稳定性强。
5 结 语
利用fpga可以方便定制ip核，可重复编程，可在线调试的诸多优点，在改变rom的地址单元数及各单元数据以及改变分频模块的参数，极其方便地产生所需的可编程多路电压。通过实验表明，系统产生的电压稳定，精度高，可调范围大(0-26v)，适合为电子元件或者对多像素的元件提电源。此外，本文给出了完整的程序代码、原理图参数，具有一定的工程参考价值。
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根据项目需求，定制10 b×32 word的lpm_rom。可以产生32路1 024阶可调的电压。此外，可以根据需要定制不同的位宽，不同单元数的lpm_rom宏功能模块，可以产生符合精度要求的多通道电压。
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程序中，duty为控制占空比的参数;count为控制分频的参数。通过改变duty和count两个参数，得到占空比及分频数可调的时钟信号，极为方便。
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rom中的数据采用.mif格式进行存储。rom中存储的数据如图3所示。
对工程进行全编译，用启动仿真器对工程进行功能仿真。仿真结果如图4所示。从仿真结果可以看出，din_dac输出的数据与rom内写入的数据完全一致。clk_dac和cs_dac：也完全满足数/模转换器所需的控制信号。
3 数/模转换器和运算放大器的设计
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从式(1)可看出，数/模转换输出由参考电压vrefin和输入数据code决定，输出精度达到1/1 024，因此可以达到很高的调压精度。
两款元器件均采用dip封装形式，可以即插即用，加上价格不高，特别适合用来实验。数/模转换器和运算放大器的硬件连接原理图如图5所示。opa采用同相输入，放大后的输出电压值为：
通过改变r3和r2的值，在输入不变的条件下便可改变输出电压。
4 实验结果
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实验只用到rom的30个单元数据，即只产生30路可编程电压。把.sof文件加载到fpga中。实验结果在示波器显示如图7所示。
图7中上边曲线为放大后的电压，下面曲线为数/模转换输出的电压。根据式(1)算出数/模转换器的输出电压最大值vmax=4.315 v.测得值为4.32 v。根据式(2)算出vmax=25.89 v，测得值为26.0 v。图7中各阶输出电压均与图6中数据相对应。实际测试结果与理论计算相吻合。实验表明，系统的精度高，稳定性强。
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