基于FPGA的模数转换芯片MAX191控制器的设计

2022-05-24于小龙

机械工程与自动化 2022年2期

于小龙

(山西省机电设计研究院有限公司，山西太原 030009)

0 引言

在仪器仪表等领域中，模拟信号的采集和转换在系统检测中具有十分重要的意义。传统上是用单片机对模数转换器进行控制，其优点是编程简单，但也存在着周期长、速度慢的缺点[1]。而FPGA具有速度快、灵活性强的特点，非常适合AD控制器的设计。本文采用型号为EP4CE6E22C8的FPGA芯片对模数转换器MAX191进行实时采样控制，经测量，所得的数据具有较高精度，达到了实际使用要求。

1 MAX191介绍

MAX191是MAXIM公司生产的单片CMOS、12位AD转换器，它既可以采用+5 V单电源供电来测量单极性信号，也可以采用±5 V双电源供电来测量双极性信号，并具有内部采样保持、电压参考电路，既可以采用内部时钟工作，也可以利用外部时钟工作。MAX191的采样保持时间为2 μs，数据转换时间为7.5 μs。它与控制器之间采用串行或者并行接口来传输数据。MAX191具有功耗低、速度快和精度高的特点，非常适合弱信号的实时采集系统。MAX191引脚如图1所示。

图1 MAX191引脚图

具体引脚功能为：引脚1：掉电控制端；引脚2：-5 V；引脚3：待测模拟量输入端；引脚4：模拟量输入返回端；引脚5：参考电压输入/输出端；引脚6：参考电压调整端；引脚7：模拟地；引脚8：极性选择端；引脚9：转换结束标志；引脚10～11：数据输出端；引脚12：数字地；引脚13～18：数据输出端；引脚19：读控制输入端；引脚20：片选；引脚21：高字节使能；引脚22：串并行选择；引脚23：时钟；引脚24：+5 V。

MAX191含有内部时钟电路，在CLK和DGND之间接120 pF的电容，就可以产生1 MHz的内部时钟。MAX191在工作时，通过在REF和AGND之间连接一个4.7 μF的电解电容，然后该电容再并联一个0.1 μF的无极电容，就会在REF端产生4.096 V的参考电压[2]。

图2 MAX191时序图

2 硬件原理图

图3 FPGA与MAX191的连接

3 控制器软件设计

AD转换控制器采用硬件描述语言Verilog进行编程设计。通过分析MAX191的时序图，可以发现采用状态机来设计比较合适。本文把AD整个工作流程分为8个状态，分别是①Reset_ad,复位状态，MAX191未开始工作，此时控制器HBEN、RD_CS_N引脚皆输出高电平；②Start_ad_1，准备启动AD转换，此时控制器HBEN输出低电平，RD_CS_N输出高电平；③Start_ad_2，启动AD转换，HBEN继续输出低电平，RD_CS_N输出低电平；④Read_ad_low,读取转换的低8位数据，HBEN继续输出低电平，RD_CS_N继续输出低电平；⑤Read_ad_high1，读取低8位数据完毕，HBEN继续输出低电平，RD_CS_N输出高电平；⑥Read_ad_high2，准备读取高4位数据，HBEN输出高电平，RD_CS_N继续输出高电平；⑦Read_ad_high3，数据总线送出高4位数据，HBEN继续输出高电平，RD_CS_N输出低电平；⑧Read_ad_high，读取高4位数据。转换完毕后控制器进入复位状态，等待下次转换。控制器编译后的RTL视图如图4所示。本设计250 ms启动一次AD转换，转换结果通过RS232发送至分辨率为(800×400)像素的LCD上实时显示。

图4 控制器RTL视图

4 实测数据比对

软、硬件设计完成后，即可接入实际的模拟信号进行测试，本文中接入的待测信号为直流电压值。由开关电源输出的±5 V电压经电阻分压后输入MAX191,将该系统测得的电压值与高精度5位半数字万用表测得的电压值进行比对。由于MAX191是±5 V双电源供电，REF端产生的参考电压为4.096 V，所以该系统的测量范围±2.048 V，如需扩展量程可选择合适的分压电阻将高电压转为测量范围的区间。实测结果如表1所示。