基于FPGA的可編程電阻的設計

摘要：現在市場(chǎng)上的各種電阻和電阻箱有不足之處，不能滿(mǎn)足一些研發(fā)場(chǎng)所的要求，為了解決這一問(wèn)題，本文介紹一種基于FPGA的可直接輸入阻值提供不同電阻的設計方法。FPGA通過(guò)控制繼電器的吸合，從而確定與其并聯(lián)的電阻的接入與否，最后通過(guò)電阻的疊加得到不同阻值。介紹了該設計的工作原理及軟件設計思想，并有部分仿真結果。這種設計使用8421編碼原則和硬件描述語(yǔ)言，減少了一些元器件的使用。相比于市場(chǎng)上的產(chǎn)品，其穩定性更高，抗干擾性更強，體積也更小，同時(shí)，它的操作更簡(jiǎn)便，顯示更直觀(guān)。
關(guān)鍵詞：現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；可編程；任意電阻

0 引言
電阻幾乎是所有電路中必不可少的部分，常見(jiàn)的也有很多不同阻值的電阻，然而在一些電路中同一位置不同時(shí)刻還需要不同阻值，在一些精度要求不高的場(chǎng)合，可用滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現，但是我們不能確定其具體阻值。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為了滿(mǎn)足教學(xué)研某些場(chǎng)合的需要，阻值確定并可調的電阻箱應運而生。電阻箱提供阻值的原理是通過(guò)電阻的串并聯(lián)得到的不同阻值，因而用到的電阻數量較多，精度也不夠高，而且還需要對所需電阻的每一位數選擇相應的檔位，比較麻煩，也不夠直觀(guān)。而在一些生產(chǎn)應用中(如產(chǎn)品校驗)需同時(shí)提供幾組不同電阻，且要重復提供(如做產(chǎn)品老化檢測實(shí)驗)，這就需要將該阻值記錄下來(lái)，而以前的電阻箱都不具備記憶功能，不能滿(mǎn)足要求。
本文介紹了用FPGA來(lái)實(shí)現控制電阻的提供，用軟件的方式來(lái)設計硬件，設計過(guò)程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真，同時(shí)整個(gè)系統可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低，可靠性高，又因為其內部有存儲單元，所以能夠滿(mǎn)足上述的“記憶”功能。

1 硬件電路
基于FPOA的可編程電阻系統的硬件系統(如圖1所示)主要由以下幾個(gè)功能模塊組成：


1．1 主控制器FPGA
FPGA(本設計中選用的是CyeloneII系列)控制中心是整個(gè)設計的核心，主要控制實(shí)現對系統的鍵盤(pán)輸入進(jìn)行處理，并根據輸入的信息轉換成輸出數據，控制對應的繼電器的吸合，從而得到不同的阻值。
以往可編程網(wǎng)絡(luò )的主控制器有采用數字電路控制的，也有采用單片機控制的，本電路采用FPGA控制。EPGA是近幾年來(lái)出現并被廣泛應用的大規模集成電路器件，它的特點(diǎn)是直接面向用戶(hù)，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測試和實(shí)現快捷，開(kāi)發(fā)效率高，成本低，上市時(shí)間短，技術(shù)維護簡(jiǎn)單，工作可靠性好等。因而用來(lái)設計可編程電阻其靈活性更好。
目前市場(chǎng)上主要生產(chǎn)FPGA產(chǎn)品的公司有Lattice、Xilinx、Altera。在教學(xué)過(guò)程中，一般使用Altera公司生產(chǎn)的FLEX系列和 Cyclone系列較多。鑒于產(chǎn)品的成本和通用性考慮，本實(shí)驗中采用CycloneII，它是第二代低成本FPGA系列，它所擁有的獨特性能有：NiosII嵌入式處理
器支持，嵌入式18*18數字信號處理乘法器，中等容量的片內存儲器(能夠滿(mǎn)足本設計的要求)中等速度的I／O引腳和存儲器接口。在性?xún)r(jià)比上更適合本設計，所以在本設計中選用此系列。
1．2 鍵盤(pán)輸入電路
鍵盤(pán)輸入電路主要實(shí)現輸出電阻值大小的設定，本設計中采用的4*4簡(jiǎn)易鍵盤(pán)輸入即可滿(mǎn)足要求，可提供簡(jiǎn)單明了的數字鍵和功能鍵共16個(gè)鍵，包括：數字輸入鍵：數字鍵0～9，按下數字鍵，輸入一個(gè)數字，就可在對應的數碼管上顯示。
功能鍵：“電阻1”、“電阻2”本設計可以同時(shí)提供兩組電阻，可以選擇電阻1，也可以選擇電阻2，提供一組電阻，也可以電阻1、電阻2同時(shí)選擇提供兩組電阻。
“存儲”：每輸入完一個(gè)數字后按一下存儲鍵，以便能夠將幾個(gè)數據存儲下來(lái)，運行后將按數據存儲的先后順序及預置的時(shí)間工作，循環(huán)提供數據。
“運行”：此鍵作為存儲完數據后的啟動(dòng)鍵。
“停止”：停止提供電阻。
“復位”：可作為修改數據時(shí)用，按此鍵后可以使以前存儲的數據都清零，然后重置一組數據。
1．3 繼電器電阻網(wǎng)絡(luò )
電阻網(wǎng)絡(luò )。其原理圖如圖2所示，從圖中可以看出，開(kāi)關(guān)的閉合決定與其對應的電阻的接入與否，本設計中采用8421編碼原理控制提各阻值。


本設計所供用的電阻要精確到0．1 Ω，所以，此電阻網(wǎng)絡(luò )所使用的電阻都是精密電阻。這里我們以提供電阻阻值在1500Ω以?xún)鹊碾娮铻槔齺?lái)說(shuō)明。此電阻網(wǎng)絡(luò )采用串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現，8421編碼方式只要控制相應的繼電器，將其對應的精密電阻短接就可以實(shí)現。以1500 Ω以?xún)入娮铻槔?，只?6個(gè)電阻就可以滿(mǎn)足要求。通過(guò)控制繼電器J1至J16的斷開(kāi)或閉合，其對應的電阻就會(huì )接入或斷開(kāi)，最后接入的電阻串聯(lián)相加就得輸出的電阻值。
如通過(guò)鍵盤(pán)輸入一個(gè)預置值，如果輸入的數值為545．7Ω， 輸出的阻值大小就可以表示R=400+100+40+4+1+0．4+0．2+0．1。即只需將這些電阻需要接入，相應的繼電器J1、J2、J3、J5、 J7、J11、J13、J15要斷開(kāi)，其余的繼電器則閉合，對應的二進(jìn)制代碼則為(0101 0100 0101 0111)B，通過(guò)此列可以看出用16個(gè)電阻就可以實(shí)現1500Ω以?xún)鹊木瓤蛇_到O．1 Ω的任何電阻，使用電阻數量小，通過(guò)程序來(lái)控制電阻的接入，體積更小，同時(shí)，維護起來(lái)也更加方便，如果需要大于1500Ω的電阻，同樣可以根據此原理來(lái)增加電阻(如8000、4000、2000、1000等)，因為此設計中同時(shí)提供兩個(gè)電阻，因而還要16個(gè)同樣的電阻，原理同上(根據不同場(chǎng)合如要提供三組或三組以上的電阻只需相應增加即可)。