應用于晶體管圖示儀的CPLD控制器設計

2．1 A／D轉換器和數據鎖存器
A／D轉換器是數據采集電路重要的部件之一，本系統的A／D轉換器采用Maxim公司的MAX197。
MAX197是一款多量程的12位A／D轉換器，8路模擬信號輸入，輸出數據線8條，分為高4位和低8位輸出，由HBEN端控制。當時鐘頻率為2 MHz時，轉換時間為6μs。MAXl97在啟動轉換時，需要輸入一個8位控制字，這個控制字若由單片機提供將使啟動時間延長，難以提高采集速度，所以這里用到一個數據鎖存器74LS373來保存控制字。
2．2 存儲器和地址發生器
存儲器采用兩片2114,它是一款4 b×1K靜態隨機存儲器。2114在存取數據時，除了需要外部提供片選信號和讀寫信號外，還需要提供地址信號。地址信號由地址發生器產生，地址發生器實際上是一個計數器。
2．3 控制器
控制器是數據采集電路的核心，由CPLD內部模塊實現。這里的CPLD選用Altera公司的EPM7064。EPM7064有64個宏單元，1 250個可用門類，36個I／O腳。從可行性方面來說，RAM、地址發生器、74LS373和控制器都可以同時做到CPLD中，但RAM需要100個節，用CPLD來實現將占用大量資源，僅一片EPM7064就不夠用。所以為了節省資源，降低成本，這里采用外接RAM2114。74LS373也采用外接方式，主要是考慮端口不夠用。因此在CPLD內部僅安排了控制器和地址發生器(圖3虛線框內)。

3 控制器結構設計
3．1 采集點數的確定及控制器接口要求
晶體管特性曲線中，輸出特性曲線是最復雜的。輸出特性曲線一般由8～10條線組成。在本系統中，每條線由50個點連接而成。每個點由一個電壓值和_個電流值確定，每個電壓(或電流)數據占兩字節存儲單元(數字量12位)，則每條曲線的電壓值(或電流值)就占100個字節。電壓值和電流值本應該在同一時刻采集，但為了節省A／D轉換器和其他硬件，這里把電壓和電流安排在不同的掃描周期內采集，只要采集時間與各自的掃描周期起始時間間隔一一對應就可以保證精度，時間誤差在1μs之內。
每一組電壓或電流數據的采集都是在一個掃描電壓的上升時間段完成。掃描電壓是把50 Hz交流電壓經整流產生，所以每個掃描電壓所占時間是10 ms，掃描電壓的上升段時間就是5ms。如果5 ms時間內要采集50個數據，則每個數據占用時間為100μs。10條曲線將占用20個掃描周期。
在每個數據采集時間(100μs)內，控制器首先從鎖存器74LS373中讀取“控制字”送入A／D轉換器，啟動A／D轉換器工作，進入轉換等待狀態。當轉換結束時，控制器從A／D轉換器分別讀取數據的高字節和低字節存入RAM中，然后等待下一個采集周期。待50個數據采集結束后，控制器向單片機發出采集結束信號。所以控制器要產生74LS373的讀信號、A／D轉換器的片選和讀寫信號、存儲器片選和讀寫信號、地址發生器的時鐘和清零信號等，還要接受單片機的采集指令信號和50 Hz交流電同步信號，返回單片機采集結束信號等。