1 引 言
可編程邏輯器件（PLD）是當(dāng)今國際上流行的新一代數(shù)字系統(tǒng)邏輯器件。它主要是一種“與－或”兩級式結(jié)構(gòu)器件，除了具有高速度、高集成度性能之外，其最大的特點就是用戶可定義其邏輯功能。因此PLD能夠適應(yīng)各種需求，大大簡化系統(tǒng)設(shè)計，縮小系統(tǒng)規(guī)模，提高系統(tǒng)可靠性，受到廣大工程技術(shù)人員的青睞。
可編程邏輯器件種類繁多，性能各異，主要有以下幾種基本類型：可編程只讀存儲器（PROM），現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA），編程陣列邏輯（PAL），通用陣列邏輯（GAL）。通用陣列邏輯GAL（Generic ArrayLogic）是新一代的可編程邏輯器件，是采用先進(jìn)的E2CMOS工藝制造的大規(guī)模集成電路，是新產(chǎn)品設(shè)計的理想器件。用戶可將設(shè)計的邏輯電路通過IBM－PC機(jī)對GAL芯片編程。編程過程可分為三步：（1）根據(jù)設(shè)計要求寫出與或邏輯表達(dá)式的布爾方程；（2）利用編譯器，由計算機(jī)輔助編程，得到陣列的熔絲圖，并驗證其正確性；（3）由于GAL的立即電可擦性，把編譯器的輸出送入編程器。編程器便按已確定的熔絲圖將新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息存儲起來。這種編程方法簡單易行。
2 系統(tǒng)組成與系統(tǒng)設(shè)計
2．1 系統(tǒng)的組成
我們介紹的系統(tǒng)是一種基于兩次采樣的高準(zhǔn)確度A／D轉(zhuǎn)換器。它的計數(shù)容量可達(dá)兩百萬碼，相當(dāng)于六位半的A／D轉(zhuǎn)換器，是目前國內(nèi)所能做到的一種較高準(zhǔn)確度的A／D轉(zhuǎn)換器。它的工作原理是對被測信號進(jìn)行兩次采樣：第一次采樣由雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器把被測信號高位轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量N2h。第二次采樣的定時積分時間要比第一次采樣的定時積分時間延長m倍，并用N2h來定時接通相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓到求和積分器。定值積分時則改用小基準(zhǔn)電壓Es／n來進(jìn)行放電，從而獲得與被測信號低位相應(yīng)的讀數(shù)N2l。綜合兩次采樣結(jié)果，A／D轉(zhuǎn)換器的總計數(shù)值為：mnN2h＋N2l。它的總體框圖如圖1所示。
由于系統(tǒng)正常工作時需要一個龐大的邏輯控制電路來完成兩次采樣過程，所以我們采用PLD來實現(xiàn)硬件控制邏輯。
2．2 系統(tǒng)的設(shè)計
在所有PLD中，由于GAL器件具有低功耗、高速度、可重復(fù)編程和輸出可重組態(tài)的特點，加上它的性價比明顯優(yōu)于SSI／MSI器件，所以被選用來完成高準(zhǔn)確度A／D轉(zhuǎn)換器的硬件邏輯控制電路。
2．2．1 硬件邏輯控制電路
GAL16V8芯片主要有五種輸出配置功能。設(shè)計中采用了其寄存器型器件中的組合輸出結(jié)構(gòu)和寄存器型輸出結(jié)構(gòu)。我們采用的GAL16V8芯片如圖2所示。
它的各個管腳定義如下：
mT1：定時積分的定時時間信號（低電平有效），Th：反饋定時信號（低電平有效），ST：ADC轉(zhuǎn)換啟動信號（正跳沿有效），Sc：二次采樣信號（高電平有效），INPUT：檢零信號輸入（Ux＞0時為0，Ux＜0時為1），Tx：結(jié)果計數(shù)輸出（高電平有效），Sg：極性輸出（Ux＞0時為0，Ux＜0時為1），INT1：中斷信號（正跳沿有效），Kc：放電回路控制（高電平有效），Kx：被測量接入控制（高電平有效），VrN：負(fù)基準(zhǔn)接入控制（高電平有效），Vr：正基準(zhǔn)接入控制（高電平有效），Vr－10：十分之一正基準(zhǔn)（高電平有效），Csg：釋放極性輸出寄存器（高電平有效），CLK：時鐘輸入端。
2．2．2 硬件邏輯控制電路工作過程
硬件邏輯電路工作時，A／D轉(zhuǎn)換啟動信號ST由“0”變“1”，標(biāo)志第一次采樣正式開始。同時，Kx變?yōu)楦唠娖剑硎窘尤氡粶y量Ux；mT1變?yōu)榈碗娖剑到y(tǒng)進(jìn)入第一次采樣的定時積分時間。假設(shè)Ux＞0，則檢零信號INPUT為“0”。當(dāng)mT1變?yōu)楦唠娖綍r，第一次采樣的定時積分時間結(jié)束。接入VrN，進(jìn)入第一次采樣的定量積分階段。當(dāng)檢零信號發(fā)生變化時，表明定量積分結(jié)束。在定量積分過程中，Tx有計數(shù)結(jié)果輸出，這是被測信號的高位值。中斷信號INT1由“1”變“0”，表示第一次采樣結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入休止階段。當(dāng)ST和二次采樣信號Sc同時產(chǎn)生正跳沿時，系統(tǒng)進(jìn)入第二次采樣階段。在第二次采樣過程中，邏輯控制過程與第一次采樣大致相同，只是定時積分時間變?yōu)榈谝淮尾蓸佣〞r積分時間的m倍，即mT1，而且在每一個T1時間內(nèi)，都接通反饋定時信號Th。在定值積分階段，改用小基準(zhǔn)電壓Vr－10來進(jìn)行放電。從而Tx有計數(shù)結(jié)果輸出，這是被測信號的低位值。至此，兩次采樣A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束。
2．2．3 硬件邏輯控制電路時序圖
利用可編程邏輯器件設(shè)計控制電路的關(guān)鍵在于正確畫出邏輯電路的時序圖。通過準(zhǔn)確分析兩次采樣A／D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路，畫出它的時序圖?！ ?/p>
?。?）被測電壓為正時，GAL各管腳的時序圖如圖3所示。
?。?）被測電壓為負(fù)時，GAL各管腳的時序圖如圖4所示。
3 GAL可編程器件程序
根據(jù)硬件邏輯電路時序圖，現(xiàn)對GAL16V8芯片進(jìn)行編程，完成上述邏輯功能。
4 結(jié)束語
通過示波器對GAL16V8芯片各管腳輸出的波形進(jìn)行觀察，得到正確的波形輸出。把采用GAL后測得的數(shù)據(jù)與原有的邏輯電路測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明利用GAL所得的數(shù)據(jù)完全正確。因此，由GAL設(shè)計高準(zhǔn)確度A／D轉(zhuǎn)換器的硬件邏輯控制電路是可行的。此外，由于GAL只有一個時鐘控制端，在信號進(jìn)行動作時，為減少由于時鐘引起的誤差，使用的時鐘頻率要高于計數(shù)器使用時鐘頻率的兩倍以上。時鐘頻率越高，所帶來的誤差就越小?！ ?/p>
與一般邏輯電路相比，GAL不僅保證了系統(tǒng)的正確性，更提高了系統(tǒng)的保密性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
1 費正生．六位半數(shù)字電壓表的研究鑒定材料．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)儀表教研室，1999
2 李 元．?dāng)?shù)字電路與邏輯設(shè)計．南京：南京大學(xué)出版社，1997
3 何立民．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編（3）．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995
4 曾繁泰．可編程邏輯器件應(yīng)用導(dǎo)論．北京：清華大學(xué)出版社，2001