摘 要

准确可靠的电压测量在大学日常教学和实验中具有重要意义，与传统的数字电压表不同，本次课题设计应用EDA(电子设计自动化）技术和FPGA（现场可编程门阵列），有效的提高了系统的集成度和电路的可靠性，运用赛灵思公司的Vivado软件工具进行软件编程，调试完成后烧录下载到赛灵思Artix-7XC7A35T 1csg324-1开发板中进行硬件验证实现，采用外接A/D转换模块ADC0809完成模数转换，整个系统分为三大模块，控制模块，数据处理模块以及扫描显示模块，以FPGA芯片为核心控制ADC0809的采样与转换，再由数据处理模块处理转换完毕的数据，最终由扫描显示模块输出显示，所设计的数字电压表量程为0~5V，精度为小数点后两位小数，特点是以软件编程控制硬件功能实现，系统灵活性和可拓展性较好，设计周期短，开发效率高。

关键词：EDA；FPGA；数字电压表；Xilinx

Abstract

Accurate and reliable voltage measurement in the university daily teaching and experiment is of great significance, and the traditional digital voltmeter is different from the design of the application of EDA (electronic design automation) technology and FPGA (field programmable gate array), effectively improve the System integration and circuit reliability, the use of Xilinx's Vivado software tools for software programming, debugging completed after the download to Xilinx Artix-7XC7A35T 1csg324-1 development board for hardware validation, the use of external A / D conversion module ADC0809 to complete the analog-to-digital conversion, the whole system is divided into three modules, control module, data processing module and scan display module to FPGA chip as the core control ADC0809 sampling and conversion, and then processed by the data processing module Data, the final output by the scan display module display, the design of the digital voltmeter range of 0 ~ 5V, the accuracy of the decimal point after the two decimal places, characterized by software programming to control hardware functions, system flexibility and scalability is better, Design cycle is short, the development of high efficiency.

Key word:EDA；FPGA；Digital voltmeter；Xilinx

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的意义及研究概况 1

1.2研究的主要内容 2

1.3 本章小结 3

第2章 系统软件开发环境 4

2.1 EDA技术的简介 4

2.2 Verilog HDL语言概述 5

2.3软件工具Vivado 5

2.3.1设计环境 5

2.3.2设计流程 7

2.4 本章小结 8

第3章 系统硬件研究 9

3.1现场可编程门阵列FPGA 9

3.2 EGO1实验平台 10

3.2.1 平台简介 10

3.2.2 工作方式 11

3.3 ADC0809 12

3.3.1 ADC0809简介 12

3.3.2 ADC0809转换原理 13

3.4 本章小结 13

第4章 数字电压表的设计 14

4.1系统设计原理 14

4.2模块化设计 14

4.2.1控制模块 15

4.2.2数据处理模块 17

4.2.3扫描显示模块 20

4.3 本章小结 22

第5章 数字电压表的实现与验证 23

5.1 数字电压表仿真验证 23

5.2 本章小结 25

第6章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究目的意义及研究概况

数字电压表（Digital Voltmeter）是教学和实验中的重要仪表，其数字化是指将测量技术及指标数据化，将连续的模拟电压转换成不连续的离散数字量并显示它们^【1】。数字电压表在20世纪50年代开始出现在研究和生活的各个方面，并由于以下两方面原因在60年代得到发展和完善，一是电子计算机的普及，使得电子化技术从理论研究过渡到实际应用，在生产生活和各项研究中实现数据化，理论化，为了实现数据处理的可靠性和数据控制的实时性；二是电子计算机的发展，随着社会的进步以及科学的不断发展，使得脉冲数字电路技术随着科学的进步也在不断地进步，技术的进步是数字化仪表的出现的必要条件。

传统主流的数字电压表的核心器件为大规模ASIC（专用集成电路），再加上一些中小规模的集成电路以及一些显示元件，这种电压表由ASIC完成从模拟量的输入到数字量的输出转换，其设计简单，测量精度高，但由于应用了ASIC的缘故导致，使得系统的功能已经变得十分的固定，从而难以改变，也就很难对其进行更新换代，十分的不灵活。在传统主流的数字电压表之后发展起来的是利用单片机控制A/D转换功能的数字电压表，这种电压表相比于以前的来说已经有了很大的进步，它的灵活性比传统的数字电压表有大幅度的提高，使得可以轻松地扩展系统的功能，但是单片机的引脚数量有限，意味着它的灵活性也有限，随着电子工业的飞速发展，这种电压表也无法满足人们的需求。将EDA（电子设计自动化）技术和FPGA(现场可编程门阵列）应用于数字电压表，用户可自由编程以控制系统，系统功能可扩展性强，其集成度高，性能可靠，速度快，其灵活性远远优于上述的两种数字电压表。

20世纪50年代，美国NLS公司成为第一个使用四位数字电压表的公司，经过五十多年来不断的革新，改进与完善，其功能日趋强大。电压表的研制离不开电位差计的自动化考虑，从最初的仅仅显示四位开始，慢慢的发展到能够显示五六位，到今天已经能够在数码管上显示七八位的结果了；从最开始的仅仅只有为数不多的几种简单的工作原理慢慢发展到几十乃至上百种复杂多样的原理，从最早采用继电器以及电子管发展到现在开始使用全晶体管化、集成电路化、微处理器化的元器件；从一台数字电压表刚开始仅仅能测量一至两种参数发展到今天可以在一台表上测量十几种参数的综合复用性；显示器件也从当初的辉光数码显示发展到现在的发光二极管等显示、液晶显示等。电压表的体积再不断变小，功耗在不断变小，但是重量越来越轻，成本越来越低，价格也在逐步下降，可靠性越来越高，量程范围也在不断扩大。