数字电压表(参考范文)

数字电压表(参考范文) 河南工业职业技术学院H enanP olytechnicI nstitute毕业设计题目数字电压表系别机电系专业班级姓名学号指导教师日期河南工业职业技术学院毕业设计I毕业设计任务书设计题目数字电压表设计要求本设计总体实现的功能采样电压，显示并控制。 1.采样电压信号经过A/D转换送入控制器（CPLD）；2根据采样信号输出当前电压值，通过液晶显示器显示；3使用按键控制显示器当前显示值；4CPLD能与单片机正确通信，即能送入信息到单片机，也可取出相关信息；如当前控制量的参考值，和经过计算后的数据。 设计任务1设计硬件电路，画出电路原理图（0-2号）；2.设计软件，编制程序，画出程序流程图（2-3号）；3调试程序，写出源程序代码；4写出详细毕业设计说明书（10000字以上），要求字迹工整，原理叙述正确，会计算主要元器件的一些参数，并选择元器件。 设计进度要求第一周查阅收集相关资料第二-三周针对设计列设计方案，做出整体的设计第四-五周修改、完善设计，仿真，调试电路，论文第六周毕业答辩指导教师（签名）河南工业职业技术学院毕业设计II摘要目前电子技术的发展主要体现在EDA领域,数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。 电子设计自动化是近几年迅速发展起来的将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子设计学科。 其中EDA设计语言中的VHDL语言是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述、电路合成、电路仿真等三大电路设计工作。 本监控系统的电路设计主要是用VHDL语言完成的。 还要用到EP1K30芯片。 此次设计主要应用的软件是美国ALTERA公司自行设计的一种CAE软件工具，即MAX+PLUS。 本次所设计的监控系统模拟监控电压，精度为0.01V。 A/D转换电路，将模拟量转换为数字量；液晶显示模块用来显示当前电压值；按键则控制液晶显示；通过软件编程下载到硬件实现,设计周期短,开发效率高.由于时间有限，我做的监控系统模拟监控电压。 如果有时间可以修正成多路监控仪器，即监控的对象可以是电压、电流、温度、湿度等；也可加以控制，用采样输入的数值与标准值进行对比，并输出控制信号调节控制当前值。 在编写过程中，根据数字电压表的特点，选材注意实用性，突出应用能力的培养。 本论文是以MAX+PLUS为主线，从实用角度出发。 电子技术在不断地发展，电子系统的设计方法也随之发生变革，基于EDA技术的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。 大规模可编程逻辑器件是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路。 数字电压表设计时，我只要拥有一台电脑、一套EDA开发工具、一块EP1K30芯片，就可以设计出所需要的专用集成电路，大大减少了开发成本和开发时间。 我可以通过软件编程来修改硬件的功能，极大地提高了设计的灵活性和通用性。 随着电子技术的发展，当前数字电子系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。 推动该潮流发展的引擎就是日趋进步和完善的ASIC设计技术。 目前数字系统的设计可以直接面向用户需求，根据系统的行为和功能的要求，自上而下的完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直接生成器件。 上述设计过程除了系统行为和功能描述以外，其余所有的设计几乎都可以用计算机动完成，也就说做到了电子设计自动化（EDA）这样做可以大大的缩短系统的设计周期，以适应当今品种多、批量小的电子市场的需求。 电子设计自动化的关键技术之一是要求用形式化的方法来描述数字系统的硬件电路，即要用所谓的硬件语言来描述硬件电路。 所谓硬件描述语言及相关的仿真、综合等技术的研究是当今电子设计自动化领域的一个重要课题。 硬件描述语言的发展至今已有几十年的历史，并成功的应用到系统的仿真、验证和设计综合等方面。 到本世纪80年代后期，已出现了上百种的硬件描述语言，它们对设计自动化起到了促进和推动作用。 但是，它们大多数各自针对特定的设计领域，没有一个统一的标准，从而使一般用户难以使用。 广大用户所期盼的是一种面向设计的多层次、多领域且得到一致认同的标准的硬件语言。 80年代后期由美国国防部开发研究的VHDL语言恰好满足了上述的要求，并在1987年12月由IEEE标准化。 它的出现为电子设计自动化（EAD）的普及和推广奠定了坚实的基础。 根据1991年有关统计资料表明，VHDL语言业已被广大设计者所接受，据称已有90%的设计者使用或即将使用VHDL语言来设计数字系统。 另外，河南工业职业技术学院毕业设计2众多CAD厂商也纷纷使自己新开发的电子实际软件VHDL语言兼容。 由此可见，使用VHDL语言来设计数字系统是电子设计的大势所趋。 本次设计的数字电压表是基于EP1K30芯片利用VHDL语言来编译的，它的主要功能是完成0.00伏到2.55伏的电压量程，要求误差在1%左右。 本次设计主要应用的是VHDL语言，因为其具备以下优点:设计技术齐全、方法灵活。 在注重理论分析的基础上，力图做到主次分明、深入浅出、详略得当。 重在培养解决实际问题和创造性思维的能力。 而我的硬件设计详见第二章，主要介绍了需要哪几部分硬件和硬件系统的介绍1。 在2.1节介绍了A/D转换；2.2节详细的介绍了ACEX1K系列EP1K30；2.3节介绍了静态显示电路；2.4节简单的介绍了键盘控制电路；2.5和5.6分别简单介绍了按键和选钮。 在第三章中我详细的解说了软件系统的设计。 3.1介绍我做这个设计的设计思路；3.2节详细的对设计原理图与设计步骤的解说；第四章就是我对此设计的调试总结。 河南工业职业技术学院毕业设计32硬件系统的设计我所设计的是监控系统。 首先我要设计好它的总体设计框图，在一步一步的设计原理图。 下面是数字电压表的总体设计框图，如图 （1）图 （1）制作一个数字电压表需要 （1）A/D转换器 （2）EP1K30芯片 （3）LED显示数码管 （4）12个显示发光二极管还有一个旋钮（用来调试显示的电压值），一个复位按键2.1A/D转换器的选型A/D转换的任务是将模拟量转换成数字量。 能够完成这一任务的器件，称之为模/数转换器，简称A/D转换器。 A/D转换器同样采用双列直插式封装。 如图 （2）河南工业职业技术学院毕业设计4图 （2） （1）8路模拟开关、地址锁存与译码8路模拟开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。 地址锁存与译码电路完成对A、B、C这3个地址进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。 通道选择的地址编码如表 （1）所示。 ADC0809的通道选择地址编码地址码选择模拟通道C BA000IN0001IN1010INxxIN3100IN4101IN5110IN6111IN7表 （1）河南工业职业技术学院毕业设计5ADC0809的引脚功能介绍ADC0809的引脚如图 （3）所示，为28引脚的双列直插式封装结构。 引脚结构:图 （3）各引脚功能如下IN078个模拟量输入端。 OE输出允许信号，高电平有效。 选中时，允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。 CLOCK实时时钟，可通过外接RC电路改变时钟频率。 ALE地址锁存允许，高电平有效。 允许C、B、A所示的通道被选中，并把该通道的模拟量接入A/D转换器。 A、B、C通道号选择端子。 C为最高位，A为最低位。 VREF（+）、VREF（-）参考电压端子。 用以提供D/A转换器权电阻的标准电平，对于一般单极性模拟量输入信号，VREF（+）=+5V，VREF（-）=0V。 VCC电源端子。 接+5V。 GND接地端。 2.2ACEX1K系列EP1K30一EP1K30芯片如图 （4）河南工业职业技术学院毕业设计6图 （4）EP1K30芯片是这次设计中不可缺少的一个主控芯片,它也是我所用的实验箱上的核心.EP1K30典型门数30000,最大系统门数119000,逻辑单元1728,嵌入式阵列块6,RAM位数24567,最大可用I/O引脚171.该芯片将查找表(LUT)结构与嵌入式阵列块(EAB)结合起来,提供一种具有高效管芯的低成本结构.在EAB实现了RAM,ROM、双口RAM和先进先出(FIFO)功能的同时,基于查找表的逻辑能够优化数据通路、寄存器等,加强了数字信号处理设计的性能和效率.这些单元使得EP1K30适用与复杂的逻辑功能和存储功能的场合,例如,数字信号处理,宽带数据通路控制,数据传输和微处理器方面,也适用与高性能的通信应用.基于可重配置的CMOS SRAM单元,EP1K30结构合并了所有必需的性能来完成普通门阵列的宏函数功能,而且还有大量引脚为系统元件提供有效接口.先进的工艺和2.5V内核使EP1K30器件适应了低功耗、高容量的应用.EP1K30器件具有可重构的特点,使得它们在出厂前可以得到完全的测试.河南工业职业技术学院毕业设计7EP1K30器件在系统上电时进行配置,配置数据ALTERA串行配置器件或者系统控制器.ALTERA提供EPC1,EPC2和EPC1441等型号的配置器件,这些器件通过串行数据流配置ACEX1K器件.配置数据也可以从系统RAM中下载得到.ACEX1K器件在配置后,能够通过复位器件和下载新数据实现在线重配置.EP1K30器件具有的接口还可以使微处理对EP1K30器件进行灵活配置(串行或并行,同步或异步)。 2.3LED静态显示电路 （1）数码管结构数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符AF及小数点“”。 数码管的外形结构如图 （5）中的图（a）所示。 数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图（b）和图（c）所示。 数码管结构图（a）外型结构；（b）共阴极；（c）共阳极图 （5） （2）数码管工作原理共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。 通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。 当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。 根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。 此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。 河南工业职业技术学院毕业设计8共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。 通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。 当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。 此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。 如表 （2）LED显示字型码表显示字符共阴极共阳极显示字符共阴极共阳极07EH01H97BH04H130H79H A76H76H26DH12H B1FH1FH379H06H C4EH4EH433H4CH D3DH3DH55BH24H E4FH4FH65FH20H F47H46H770H0FH87FH00H表 （2）2.4显示发光二极管发光二极管（LED）是采用半导体发光材料制成的能把电能转换成光能的固体发光器件。 采用半导体发光材料制成的显示器件具有许多独特的优点，与其它显示器件相比，它的工作电压低（2V左右），易于集成电路相匹配；响应速度快；寿命长；工作稳定，可靠性高；体积小，重量轻。 所以在做数字电压表时，我利用了发光二极管显示结果。 用了12个二极管，分成了高、中、低位和数码管显示的相对应。 用8421码来判别二极管显示的大小。 14二极管定为低位，58二极管定为中位；912二极管定为高位。 例如显示值为0.25V则二极管所对应的8421码为0000（高），0010（中），0101（低）。 如图 （6）河南工业职业技术学院毕业设计9图 （6）2.5按键图 （7）与开关一样，按键具有“断开”和“闭合”两种状态，通过接口电路对应于0和1两个逻辑电平；不同之处在于，按键的“闭合”是暂态，当我停止按压时，按键即恢复到“断开”状态，因此，按键适用于连续的输入操作。 但按键不象开关，对输入的状态具有保持作用，因此，按键通常与输出显示配合使用，利用显示输出对按键操作给予反馈。 另外，开关是各状态设置好后才输入的，而按键则是在操作中输入的。 我做的按键在设计中起复位作用，如图 （7）。 2.6旋钮图 （8）我所用到的还有一个可调电阻，用它来调试设计的结果。 根据可调电阻来调河南工业职业技术学院毕业设计10试显示的大小，如图 （8）。 3软件的设计3.1设计思路与要求这次毕业设计，我的题目是数字电压表，就要使用MAX+PLUS软件。 本电压表的电路设计主要是用VHDL语言完成的。 还要用到EP1K30芯片。 此次设计主要应用的软件是美国ALTERA公司自行设计的一种CAE软件工具，即MAX+PLUS。 MAX+PLUS有着强大的逻辑综合能力，日益受到广大电子工程设计人员的青睐。 它的主要的技术特点如下广泛的使用范围，与器件结构独立，通用性强，兼容性强，集成度高与自动化程度高，拥有强大的帮助系统，易学易用。 MAX+PLUS软件进行设计和开发数字系统的基本过程主要包括以下几个步骤设计输入、项目编译、仿真与定时分析、编程下载、系统测试。 设计任务和要求制作一数字电压表，通过设计使我熟悉A/D转换原理，掌握中规模TTL集成电路、CMOS集成电路和LED数码显示器的使用方法，译码、显示过程。 该数字电压表的具体技术要求 （1）3位数字电压表 （2）量程范围0.00V2.55V （3）能测量正电压 （4）设计思路清晰，给出整体设计框图； （5）在MAX+PLUS II中设计各单元电路，完成其功能仿真和编译并生成低层摸块； （6）在MAX+PLUS II中完成顶层设计并编译通过； （7）在MAX+PLUS II中完成设计 （8）接实验箱并调试电路； （9）写出设计报告。 数字电压表是利用A/D转换原理，将被测模拟量转换成数字量，并用数字式显示测量结果的电子测量仪表。 通常由以下几部分组成 （1）A/D转换电路，将模拟量转换为数字量。 河南工业职业技术学院毕业设计11 （2）显示电路，将输出的数字量送入显示电路进行显示。 MAX+PLUS开发系统是一个完全集成化、易学易用的可编程逻辑设计环境，它可以在多种平台上运用。 它所提供的灵活性和高效性是无可比拟的。 其丰富的图形界面，辅之以完整的、可及时访问的在线文档，使学生能够轻松掌握和使用MAX+PLUS软件。 MAX+PLUSII普遍认为MaxplusII曾经是最优秀的PLD开发平台之一，适合开发中小规模PLD/FPGA。 3.2设计原理图与设计步骤3.2.1总的原理图如下图所示（见附录B）3.2.2设计步骤首先考虑到做数字电压表时需要的主要元件符号有一个4进制的位计数器、255进制显示计数器、一个4选一的选择器、还有一个4位BCD译码器和一个A/D0809，这些元件都是需要我自己去做它们的符号。 3.3计数器的设计数字系统经常需要对脉冲的个数进行计数，以实现数字测量、状态控制和数据运算等，计数器就是完成这一功能的逻辑器件。 计数器是数字系统的一种基本部件，是典型的时序电路。 计数器的应用十分广泛，常用于数/模转换、记时、频率测量等。 计数器按照工作原理和使用情况分为很多种类，如最基本的计数器、带清零端的计数器、能并行预加计数值的计数器、各种进制的计数器等。 3.3.1进制计数器的设计4进制计数器的电路符号图 （9）河南工业职业技术学院毕业设计124进制计数器的波形图图 （10）3.3.2255进制显示计数器的设计因为我设计的数字电压表范围是在0.00V2.55V之间显示，所以我需要设计一个255进制的计数器，并且还要带上电压单位V。 用波形图文件做一个255进制显示计数器的波形如图 （11）图 （11）255进制计数器的电路符号图 （12）3.4数据选择器的设计数据选择器的输入端包括地址输入端和数据输入端。 由地址输入给地址，找出相应的数据输入端，把该数据输入端的数据送入输出端。 数据选择器包括4选1数据选择器、8选1数据选择器等。 我做的是4选1的数据选择器。 下面是我对4选1数据选择器的设计介绍。 河南工业职业技术学院毕业设计13一实验原理4选1数据选择器有两个地址输入端S 1、S0；4个数据输入端D、C、B、A；1个输出端Y。 其真值表如表 （3）所示。 4选1数据选择器真值表地址输入输出S1S0Y00A01B10C11D表 （3）一个4选1数据选择器应具备的脚位地址输入端S 1、S0；数据输入端D、C、B、A；输出端Y。 用VHDL语言做一个4选一的选择器LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY xuanzeqiIS PORT(S:IN STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);A,B,C,D:IN STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);Y:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);END xuanzeqi;ARCHITECTURE aOF xuanzeqiIS BEGIN-Y=(NOT S AND D0)OR(SANDD1);PROCESS BEGIN河南工业职业技术学院毕业设计14IF(S=00)THEN Y=A;ELSIF(S=01)THEN Y=B;ELSIF(S=10)THEN Y=C;ELSIF(S=11)THEN YCS=1;WR=1;RD=1;next_stateCS=1;WR=0;RD=1;next_stateCS=1;WR=1;RD=1;if(INT=0)then next_state=read;else next_stateCS=1;WR=1;RD=0;next_state=idle;end case;end processP1;P2:process(CLK,RESET)begin if(RESET=0)then present_state=idle;datain=00000000;elsif(CLKevent andCLK=1)then present_state=next_state;if(present_state=read)then datain=D;end if;end if;end processP2;河南工业职业技术学院毕业设计18data1=000000000000when datain(7downto4)=0000else000000110001when datain(7downto4)=0001else000001100011when datain(7downto4)=0010else000010010100when datain(7downto4)=0011else000100100101when datain(7downto4)=0100else000101010110when 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（2）、编译过程如下图4.3所示:河南工业职业技术学院毕业设计21图4.3以上的过程是总体设计在MAX+PLUS软件的调试过程4.3管脚分配CLK的引脚编号为7；D0D7的引脚编号分别为8，9，10，11，12，13，14，17；BCDOUT0BCDOUT11的引脚编号分别为144，143，142，141，140，138，137，136，135，133，132，131，这些引脚分别接上二极管；Q7Q0的引脚编号分别为101，100，99，98，97，96，95，92（101引脚接数码管的DP管脚，100引脚接数码管的a引脚，99引脚接数码管的b引脚,98引脚接数码管的c引脚,97引脚接数码管的d引脚,96引脚接数码管的e引脚,95引脚接数码管的f引脚,92引脚接数码管的g引脚)；RD的引脚编号为33；WR的引脚编号为32；INT的引脚编号为31；CS的引脚编号为36；IN的引脚编号为18；S0的引脚编号为88；S1的引脚编号为87；RESET的引脚编号为20（它与键K1接）；地址锁存允许信号输入端ALE接CLOCK外部时钟输入端；A0，A1，A2接地，选择通道INT0，INT0接旋纽（为了调试显示的数值）；Vref(+)接电源，Vref(-)接地。 4.4观察实验结果选取时钟信号为45MHZ，旋转选择通道IN0的旋钮，调试数码管显示的值，从0.002.55V。 二极管的高四位、中四位、低四为也分别现实相应的值。 旋钮从左向右旋转数值逐渐减小，反之则逐渐增大。 二极管的显示和数码管显示的值河南工业职业技术学院毕业设计22是一一对应的。 按下键KEY1，显示恢复到0；按键按起后，可以重新调试数值大小。 4.5实验结构解释数码管显示段输入高电平有效，当某段输入高电平该段便发光。 4.6调试经过在调试过程中，一开始发现接的数码管显示乱码，经检查得知段码值送的是对的。 就看了看实验箱的连线，才知道送段码的八根线（a,b,c,d,e,f,g,dp）高低为接反了。 又把接数码管的几根线调换了位置(接线顺序g,f,d,e,c,b,a,dp)。 就回到总图，经过编译通过，接实验箱。 再次调试旋钮，观察结果。 显示的数值是正确的，但是不符合显示要求。 它的值没有规律，不是随着旋钮的调试变化。 当旋转调试旋钮时，显示的数值忽大忽小；并不是从大到小（从小到大）的逐次变化。 最大和最小值分别是0.00V和2.55V。 调试出的最大和最小值是对的，就是调试出的值没有规律。 经过细致的检查，发现数字量输出端D0D7管脚接反了(应该从高位开始接线依次为D 7、D 6、D 5、D 4、D 3、D2D、D 1、D0)。 管脚重新插了一变。 总图再次编译，下载实验箱。 最终结果正确的显示了出来。 旋钮按顺时针旋转或逆时针旋转，数值就随着旋钮从2.55V0.00V或0.00V2.55V逐渐变化。 如顺时针旋转调试的结果2.55V2.54V2.53V2.00V1.99V1.98V1.97V1.00V0.99V0.98V0.00V。 逆时针旋转的结果刚好跟顺时针旋转调试的结果相反0.00V2.55V。 结果显示出来后，就开始连二极管的插孔。 一共12个二极管插口。 BCDOUT0BCDOUT11的引脚编号分别为 144、 143、 142、 141、 140、 138、 137、 136、 135、 133、 132、131。 12根二极管分别连到BCDOUT0BCDOUT11的管脚上。 144、 143、 142、141对应的二极管是与数码管显示的高位相对应， 140、 138、 137、136对应的二极管是与数码管显示中位的相对应， 135、 133、 132、131对应的二极管是与数码管显示的低位相对应。 最终显示出与设计要求相对应的结果。 河南工业职业技术学院毕业设计23致谢两个月的毕业设计就要结束了，在这两个多月的时间里，我感到自己的收获是非常大的。 使我在专业技能、团队协作等很多方面有了很大的提高。 在李老师的亲切指导和同学的帮助下，此次设计才得以完成，在此向所有给予我此次毕业设计指导和帮助的老师和同学表示最诚挚的感谢。 首先，向本设计的指导老师李春光老师表示最诚挚的谢意。 在自己紧张的工作中，仍然尽量抽出时间对我们进行指导，时刻关心我们的进展状况，督促我们抓紧学习。 李老师给予的帮助贯串于设计的完全过程，使我懂得了如何把握设计重点，如何合理安排时间和论文的编写，同时在毕业设计过程中。 从定下课题到现在完成毕业设计论文，我得到了李老师精心的指导和无微的帮助，尤其是在课题设计的前期准备工作和设计的过程中，李老师提出了许许多多宝贵的设计意见，在最后的论证修改过程中李老师还在百忙之中，抽出时间为我们提供了必要的指导和帮助，这使得我们能够顺利的完成毕业设计工作。 在短暂的几个月的相处时间里，李老师渊博的知识、敏锐的思路和实事求是的工作作风