數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器課程設(shè)計(jì)報(bào)告1

1、<p>　　摘要: 本設(shè)計(jì)采用EDA技術(shù)，通過(guò)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，本文采用Verilog 硬件描述語(yǔ)言來(lái)說(shuō)明電路，完成對(duì)電路的功能仿真。通過(guò)D觸發(fā)器及兩個(gè)可加載8位計(jì)數(shù)器lcnt8.v實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式相比，本設(shè)計(jì)由于采用了FPGA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，它將大量的電路功能集成到一個(gè)芯片中，并且可以由用戶自行設(shè)計(jì)邏輯功能，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。</p><p>　　關(guān)

2、鍵詞：EDA技術(shù)、FPGA芯片、硬件描述語(yǔ)言、信號(hào)發(fā)生器</p><p>　　Abstract: This design uses the EDA technology, through the FPGA chip to realize numerical control pulse width modulation signal generator design, the use of Verilog hard

3、ware description language to describe the circuit circuit, complete function simulation. Through the D trigger and two can be loaded in 8bit counter lcnt8.v to achieve the design. Compared with traditional design methods

4、, the design adopts FPGA chip to achieve, it will be a large number of circuit functions are integrated into on</p><p>　　Keywords: EDA technology, FPGA chips, hardware description language, Signal generator

5、</p><p><b>　　前言</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　1 EDA技術(shù)發(fā)展及VHDL 簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.1 EDA技術(shù)的介紹2&l

6、t;/p><p>　　1.2 EDA技術(shù)的發(fā)展2</p><p>　　1.3 EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3</p><p>　　1.4 VHDL簡(jiǎn)介3</p><p>　　2 總體方案設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容4</b></p><p>　　

7、2.2設(shè)計(jì)方案比較4</p><p><b>　　2.3方案論證5</b></p><p><b>　　2.4方案選擇6</b></p><p>　　3 特殊器件的介紹7</p><p>　　3.1 CPLD器件介紹7</p><p>　　3.2 FPGA器件介紹

8、7</p><p>　　3.3 EP1K30TC144器件介紹8</p><p>　　4 單元模塊設(shè)計(jì)9</p><p>　　4.1 供電電路9</p><p>　　4.2 PS配置電路10</p><p>　　4.3有源晶振電路11</p><p>　　4.4 八位計(jì)數(shù)器輸入電路

9、11</p><p>　　4.5 D觸發(fā)器電路12</p><p>　　5 最小系統(tǒng)原理圖13</p><p>　　6 軟件實(shí)現(xiàn)14</p><p>　　6.1軟件設(shè)計(jì)14</p><p>　　6.2思考題擴(kuò)展16</p><p>　　7 系統(tǒng)仿真及調(diào)試20</p>

10、;<p><b>　　7.1仿真20</b></p><p><b>　　7.2 調(diào)試21</b></p><p><b>　　8 總結(jié)23</b></p><p>　　9 參考文獻(xiàn)24</p><p><b>　　前 言</b&g

11、t;</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平和質(zhì)量不斷提高，生活設(shè)備的智能化程度也越來(lái)越高，這些都離不開電子產(chǎn)品的進(jìn)步?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品在性能提高、復(fù)雜度增大的同時(shí)，價(jià)格卻一直呈下降趨勢(shì)，而且產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐也越來(lái)越快，實(shí)現(xiàn)這種進(jìn)步的主要因素是生產(chǎn)制造技術(shù)和電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。前者以微細(xì)加工技術(shù)為代表，目前已進(jìn)展到深亞微米階段，可以在幾平方厘米的芯片上集成數(shù)千萬(wàn)個(gè)晶體管。后者的核心就是EDA技術(shù)，E

12、DA是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包，主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作：IC設(shè)計(jì),電子電路設(shè)計(jì),PCB設(shè)計(jì)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是基于FPGA/CPLD數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)主要模塊有：時(shí)鐘產(chǎn)生電路模塊、JTAG編程連接模塊、電源電路模塊，通過(guò)連線將各個(gè)模塊進(jìn)行連接成最小系統(tǒng)，系統(tǒng)精簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)方便且功能強(qiáng)大，比起傳統(tǒng)的

13、信號(hào)發(fā)生器有著比較明顯的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)立足系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性等高技術(shù)要求，采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的FPGA/CPLD設(shè)計(jì)，其電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，外圍電路少，易于控制和檢查，較傳統(tǒng)的分離元件實(shí)現(xiàn)方式有著明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是其設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)周期，其抗干擾及調(diào)試過(guò)程都很簡(jiǎn)單。</p><p>　　1 EDA技術(shù)發(fā)展及VHDL 簡(jiǎn)介</p>&

14、lt;p>　　1.1 EDA技術(shù)的介紹</p><p>　　EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）縮寫，是90年代初從CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試）和CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）的概念發(fā)展而來(lái)的。EDA技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為工具，根據(jù)硬件描述語(yǔ)言HDL（ Hardware Description language）完成的設(shè)計(jì)

15、文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真以及對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯和編程下載等工作。</p><p>　　硬件描述語(yǔ)言HDL是相對(duì)于一般的計(jì)算機(jī)軟件語(yǔ)言，如：C、PASCAL而言的。HDL語(yǔ)言使用與設(shè)計(jì)硬件電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它能描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接方式。設(shè)計(jì)者可利用HDL程序來(lái)描述所希望的電路系統(tǒng)，規(guī)定器件結(jié)構(gòu)特征和電路的行為方式；然后利用綜合器和適配器將此程序編

16、程能控制FPGA和CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)邏輯功能的的門級(jí)或更底層的結(jié)構(gòu)網(wǎng)表文件或下載文件。目前，就FPGA/CPLD開發(fā)來(lái)說(shuō)，比較常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL。 </p><p>　　1.2 EDA技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　可將EDA技術(shù)分為三個(gè)階段。</p&g

17、t;<p>　?。?）七十年代為CAD階段，人們開始用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行IC版圖編輯、PCB布局布線，取代了手工操作，產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念。</p><p>　?。?）八十年代為CAE階段，與CAD相比，除了純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且通過(guò)電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)，這就是計(jì)算機(jī)輔助工程的概念。CAE的主要功能是：原理圖輸入，邏輯仿真，電路分析，自

18、動(dòng)布局布線，PCB后分析。</p><p>　?。?）九十年代為ESDA階段，盡管CAD/CAE技術(shù)取得了巨大的成功，但并沒(méi)有把人從繁重的設(shè)計(jì)工作中徹底解放出來(lái)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，自動(dòng)化和智能化程度還不高，各種EDA軟件界面千差萬(wàn)別，學(xué)習(xí)使用困難，并且互不兼容，直接影響到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)間的銜接。基于以上不足，人們開始追求：貫徹整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化，這就是ESDA即電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。</p><p

19、>　　1.3 EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　目前的EDA產(chǎn)業(yè)正處在一場(chǎng)大變革的前夕，對(duì)更低成本、更低功耗的無(wú)止境追求和越來(lái)越短的產(chǎn)品上市壓力正迫使IC供應(yīng)商提供采用0.13μm或以下的千萬(wàn)門級(jí)的系統(tǒng)芯片，而這些系統(tǒng)芯片的高復(fù)雜性設(shè)計(jì)更加依賴于EDA供應(yīng)商提供全新的設(shè)計(jì)工具和方法以實(shí)現(xiàn)模擬前后端、混合信號(hào)和數(shù)字電路的完全整合。然而，這些新的需求為當(dāng)代EDA工具和設(shè)計(jì)方法帶來(lái)了不少新的挑戰(zhàn)與機(jī)會(huì)。

20、</p><p>　　例如，如何在工藝上防止模擬電路與數(shù)字電路之間的干擾；現(xiàn)有的大部份EDA工具最多只能處理百萬(wàn)門級(jí)設(shè)計(jì)規(guī)模，隨著IC設(shè)計(jì)向千萬(wàn)門級(jí)以上規(guī)模發(fā)展，現(xiàn)有EDA工具和方法必須進(jìn)行升級(jí)。如何融合各EDA供應(yīng)商的工具，以便向IC設(shè)計(jì)界提供更高效能和更方便的RTL-to-GDSII或Conc-ept-to-GDSII整合設(shè)計(jì)環(huán)境；為保證深亞微米(0.13μm或以下)和更低內(nèi)核工作電壓(1.8V或以下)時(shí)代的

21、信號(hào)完整性和設(shè)計(jì)時(shí)序收斂，必須采用新的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　半導(dǎo)體工藝的每一次躍升都促使EDA工具改變自己，以適應(yīng)工藝的發(fā)展；反過(guò)來(lái)EDA工具的進(jìn)步又推動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展?？梢哉f(shuō)EDA工具是IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的背后推手。</p><p>　　系統(tǒng)芯片（SOC）正在迅速地進(jìn)入主流產(chǎn)品的行列。由此引發(fā)的“芯片就等于整機(jī)”的現(xiàn)象，將對(duì)整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)形成重大的沖擊。種種跡象表明，整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)正在醞

22、釀著一場(chǎng)深刻的產(chǎn)業(yè)重組，這將為許多新興的企業(yè)提供進(jìn)入這一行業(yè)的最佳。</p><p>　　1.4 VHDL簡(jiǎn)介</p><p>　　QuartusⅡ是 Altera 提供的 FPGA/CPLD 開發(fā)集成環(huán)境， Altera 是世界上最 大的可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。QuartusⅡ是在 21 世紀(jì)初推出，是 Altera 前 一代 FPGA/CPLD 集成開發(fā)環(huán)境 MAX+plus Ⅱ的

23、更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用 環(huán)境便捷。它提供了一種與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸 入、快速處理和器件編程。</p><p>　　QuartusⅡ設(shè)計(jì)工具完全支持 VHDL、Verilog 的設(shè)計(jì)流程，其內(nèi)部嵌有 VHDL、 Verlog 邏輯綜合器。QuartusⅡ包括模塊化的編譯器。編譯器包括 的功能模塊 有分析/綜合器（Analysis & Synthesis）、適配器（Fitt

24、er）、裝配器（Assembler）、 時(shí)序分析器（ Timing Analyzer）、設(shè)計(jì)輔助模塊（ Design Assistant）、EDA 網(wǎng) 表文件生成器（ EDA Netlist Writer）、編輯數(shù)據(jù)接口（ Compiler Database Interface）等。可以通過(guò)選擇 Start Compilation 來(lái)運(yùn)行所有的編譯器模塊， 也可以通過(guò)選擇 Start 來(lái)單獨(dú)運(yùn)行各個(gè)模塊。還可以通過(guò)選擇 Compiler

25、 Tool。 </p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)能夠均勻輸出給定占空比的脈沖寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)可加載8位計(jì)數(shù)器lcnt8.v實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)。若初始時(shí)D觸發(fā)器輸出為高電平時(shí)， U1不能加載A，若已復(fù)位只能完成0到255的加

26、計(jì)數(shù)，在計(jì)到255時(shí)產(chǎn)生輸出cao1，經(jīng)反相后異步清除d觸發(fā)器，經(jīng)反相后，ld1變高，使u1完成加載A，但只能保持加載狀態(tài)，直到u2計(jì)數(shù)完成，產(chǎn)生cao2使d觸發(fā)器輸出高電平，ld1變低，u1開始從A的加計(jì)數(shù)，計(jì)到255后，產(chǎn)生輸出cao1，經(jīng)反相后異步清除d觸發(fā)器，如此循環(huán)。D觸發(fā)器輸出高電平使u2加載，但持續(xù)的高電平維持加載使u2計(jì)數(shù)狀態(tài)維持在B，只有當(dāng)d觸發(fā)器清除后，u2開始從B的加計(jì)數(shù)，計(jì)到255后產(chǎn)生輸出cao2，使D觸發(fā)器輸

27、出為高電平，如此循環(huán)。</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)方案比較</b></p><p>　　方案一：由單片機(jī)AT89S52來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，外圍電源采用+5V電源供電，時(shí)鐘由12MHZ的晶振產(chǎn)生，中央處理器由AT89S52單片機(jī)來(lái)完成，設(shè)計(jì)中高低電平持續(xù)時(shí)間由輸入A、B與255的差值控制。這種方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易掌握，各部分電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)都非

28、常容易，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也應(yīng)用得較為廣泛，技術(shù)成熟。其原理框圖如下圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1單片原理實(shí)現(xiàn)框圖</p><p>　　方案二：基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列FPGA，通過(guò)EDA技術(shù)，采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)思想為：對(duì)輸入信號(hào)A、B采用不同的八位二進(jìn)制代碼表示高低電平持續(xù)時(shí)間，由時(shí)鐘上沿觸發(fā)加計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)功能

29、，至于計(jì)數(shù)器u1、u2誰(shuí)工作取決于其后接的D觸發(fā)器輸出的高低電平狀態(tài)，低電平使u1工作，高電平使u2工作。再通過(guò)組合邏輯電路輸出結(jié)果狀態(tài)。其原理框圖如下圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器電路控制框圖</p><p><b>　　2.3方案論證</b></p><p>　　通過(guò)方案一二的比較，可以看出方案一的設(shè)

30、計(jì)使用分立元件電路較為多，因此會(huì)增加電路調(diào)試難度，且電路的不穩(wěn)定性也會(huì)隨之增加，而采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的電路，由于在整體性上較好，在信號(hào)的處理和整個(gè)系統(tǒng)的控制中,FPGA的方案能大大縮減電路的體積,提高電路的穩(wěn)定性。此外其先進(jìn)的開發(fā)工具使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試周期大大縮短，一般來(lái)講，同樣的邏輯，基于FPGA要比基于單片機(jī)要快很多，因?yàn)樗鼈児ぷ鞯脑硎峭耆煌摹纹瑱C(jī)是基于指令工作的，同樣的激勵(lì)到達(dá)單片機(jī)后，單片機(jī)首先要判斷，然后讀取相應(yīng)的

31、指令，最后作出相應(yīng)，這每一步都是需要在單片機(jī)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下一步步的進(jìn)行。而基于FPGA則是把相應(yīng)的邏輯“暫時(shí)”固化為硬件電路了，它對(duì)激勵(lì)作出的響應(yīng)速度就是電信號(hào)從FPGA的一個(gè)管腳傳播另一個(gè)管腳的傳播速度，當(dāng)然這指的是異步邏輯，同時(shí)電信號(hào)也要在芯片內(nèi)進(jìn)行一些柵電容的充放電動(dòng)作，但這些動(dòng)作都是非常非?？斓?。</p><p><b>　　2.4方案選擇</b></p><p&g

32、t;　　結(jié)合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的要求和精確，對(duì)其各個(gè)部件的性能提出了更高的要求，精確度是高于一切的，也是衡量一個(gè)器件的標(biāo)準(zhǔn)。在器件的合理使用和再度利用的考慮下，可編程的邏輯器件是占優(yōu)勢(shì)的，而且更方便，低功耗，體積小，結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求及綜合以上比較的情況，我們選擇了基于FPGA的數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的方案，即，選擇方案二。</p><p>　　3 特殊器件的介紹</p><p>　　3.1

33、 CPLD器件介紹</p><p>　　CPLD是Complex Programmable Logic Device的縮寫，它是有最早的PLD器件發(fā)展形成的高密度可編程邏輯器件，它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)。 CPLD是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法

34、是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。</p><p>　　許多公司都開發(fā)出了CPLD可編程邏輯器件。比較典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大權(quán)威公司的產(chǎn)品。如 Altera公司的MAXII器件，就是其極具代表性的一類CPLD器件，是有史以來(lái)功耗最低、成本最低的CPLD。MAX I

35、I CPLD基于突破性的體系結(jié)構(gòu)，在所有CPLD系列中，其單位I/O引腳的功耗和成本都是最低的。 </p><p>　　Altera公司的MAX7000A系列器件是高密度、高性能的EPLD，它是基于第二代MAX結(jié)構(gòu)，采用CMOS EPROM工藝制造的。該系列的器件具有一定得典型性，其他結(jié)構(gòu)都與此結(jié)構(gòu)非常的類似。它包括邏輯陣列塊、宏單元、擴(kuò)展乘積項(xiàng)、可編程連線陣列和IO控制部分。由于大多數(shù)CPLD是基于乘積項(xiàng)的“

36、與或”結(jié)構(gòu)，故適合設(shè)計(jì)組合邏輯電路。</p><p>　　3.2 FPGA器件介紹</p><p>　　FPGA(Field－Programmable Gate Array)可以達(dá)到比PLD更高的集成度，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的，具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實(shí)現(xiàn)。PLD器件和FPGA的主要區(qū)別在于PLD是通過(guò)修改具有固定內(nèi)連電路得邏輯功能來(lái)進(jìn)行編程，

37、而FPGA是通過(guò)修改一根或多根分割宏單元的基本功能塊的內(nèi)連線的布線來(lái)進(jìn)行編程。它一般由可嵌入式陣列塊（EAB）、邏輯陣列塊（LAB）、快速互聯(lián)通道(Fast Track)、IO單元（IOE）組成。</p><p>　　Altera Cyclone II 采用全銅層、低K值、1.2伏SRAM工藝設(shè)計(jì)，裸片尺寸被盡可能最小的優(yōu)化。采用300毫米晶圓，以TSMC成功的90nm工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，Cyclone II 器件

38、提供了4,608到68,416個(gè)邏輯單元（LE），并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式18比特x18比特乘法器、專用外部存儲(chǔ)器接口電路、4kbit嵌入式存儲(chǔ)器塊、鎖相環(huán)（PLL）和高速差分I/O能力。Cyclone II 器件擴(kuò)展了FPGA在成本敏感性、大批量應(yīng)用領(lǐng)域的影響力，延續(xù)了第一代Cyclone器件系列的成功。</p><p>　　由于FPGA是基于查找表（LUT）結(jié)構(gòu)的器件，且每個(gè)LAB由10個(gè)LE組成，

39、一個(gè)LE由LUT和寄存器組成，適合于時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.3 EP1K30TC144器件介紹</p><p>　　ACEX1K器件是Altera公司在2000推出的2.5V低價(jià)格SRAM工藝FPGA結(jié)構(gòu)與10KE類似，帶嵌入式存儲(chǔ)塊（EAB）,部分型號(hào)帶PLL，主要有1K10、1K30、1K50、1K100等型號(hào)。EP1K30TC144器件中，EP1K表示器件類型，

40、30表示器件內(nèi)有30K個(gè)邏輯門，T代表封裝類型，C表示用途為商用，144表示管腳數(shù)為144。其引腳圖如圖4-3所示</p><p>　　圖3-3 EP1K30TC原理圖</p><p>　　4 單元模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）作為控制芯片，通過(guò)Vreilog HDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，運(yùn)用自頂而下的設(shè)計(jì)思想，按功能逐層分割實(shí)現(xiàn)

41、層次化的設(shè)計(jì)。下面介紹主要模塊的功能及作用。</p><p><b>　　4.1 供電電路</b></p><p>　　供電電路原理圖如下圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2供電電路原理圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)中使用到了三個(gè)電源，第一是+5V的電源，用于為上拉電阻提供電壓，該設(shè)計(jì)中用集成三端穩(wěn)壓器CW780

42、5來(lái)得到，輸入電壓經(jīng)降壓，整流，濾波，穩(wěn)壓后得到+5V的電壓供本設(shè)計(jì)使用；第二是+3.3V電源，用于為FPGA芯片提供工作電壓，本設(shè)計(jì)中電源芯MIC29302來(lái)得到3.3 V輸入輸出引腳工作電壓；第三是+2.5V電源，用于為FPGA芯片內(nèi)核工作提供電壓，本設(shè)計(jì)中電源芯片SPX1117M來(lái)得到+2.5V芯片工作的內(nèi)核電壓。在FPGA芯片管腳上，+2.5V電源必須接在內(nèi)核電源輸入端(VCCINT)上，而VCCIO是芯片輸入輸出引腳工作電源，

43、根據(jù)輸入輸出的設(shè)備不同，可以接2.5 V、3.3 V或5.0 V。</p><p>　　特別注意的是EPC1PC8的工作電壓必須為3.3V，且該配置芯片屬于Flash Memory閃存)器件，具有可擦寫的功能。</p><p>　　4.2 PS配置電路</p><p>　　配置電路如下圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 配置電路原理

44、圖</p><p>　　配置電路采用被動(dòng)串行（PS）模式，為了利用ByteBlasterMV下載電纜配置EP1K30TC144器件，3.3V的電源應(yīng)該接上拉電阻，電纜的VCC腳連到3.3V電源，而器件的VCCINT的引腳連接到相應(yīng)的2.5V,對(duì)于PS配置電路，器件的VCCIO引腳必須連接到2.5V。</p><p>　　上拉電阻接到配置器件的電源端，這里接到了+5V電源端。nCE接到CON

45、F_DONE端，OE接到nSTATUS端，Nint_CONF接到nCONFIG端，DCLK與DCLK相連接，DATA與DATA0相連接。nCEO引腳端懸空。</p><p><b>　　4.3有源晶振電路</b></p><p>　　有源晶振電路如下圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1有源晶振電路</p><p>

46、;　　采用有源晶振作為時(shí)鐘信號(hào)源，有源晶振常用的為4個(gè)引腳，1-NC 、2-GND 、3-OUT、 4-VCC，它是一個(gè)完整的振蕩器，其內(nèi)部除了石英晶體外還有阻容軟件和晶體管，有源晶振信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式比較簡(jiǎn)單。主要是作為電源濾波，通常使用的為一個(gè)電容和電感組成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端使用一個(gè)小阻值電阻過(guò)濾信號(hào)。串電阻可減小反射波，避免反射波疊加引起過(guò)沖，減少諧波以及阻抗匹配，減小回波干擾及導(dǎo)致的信號(hào)過(guò)沖。</p&

47、gt;<p>　　由于本設(shè)計(jì)所用的為20MHZ的晶振，而20MHz以下的晶體晶振基本上都是基頻的器件，穩(wěn)定度好，20MHz以上的大多是諧波的（如3次諧波、5次諧波等等），穩(wěn)定度差，因此我們選用基頻的器件，畢竟倍頻用的PLL電路需要的周邊配置主要是電容、電阻、電感，其穩(wěn)定度和價(jià)格方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于晶體晶振器件。</p><p>　　4.4 八位計(jì)數(shù)器輸入電路</p><p>　　8位

48、計(jì)數(shù)器的原理圖如下圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 8位計(jì)數(shù)器件原理圖</p><p>　　此試驗(yàn)選用的是8位的計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)功能，從0加到255。計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中用的較多的基本邏輯器件，它的基本功能是統(tǒng)計(jì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)操作，它也可用與分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等。例如，計(jì)算機(jī)中的時(shí)序發(fā)生器、分頻器、指令計(jì)數(shù)器等都要使用計(jì)數(shù)器。</p>&

49、lt;p>　　計(jì)數(shù)器的種類很多。按構(gòu)成計(jì)數(shù)器中的各觸發(fā)器是否使用一個(gè)時(shí)鐘脈沖源來(lái)分，可分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器；按進(jìn)位體制的不同，可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器；按計(jì)數(shù)過(guò)程中數(shù)字增減趨勢(shì)的不同，可分為加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器；還有可預(yù)制數(shù)和可編計(jì)數(shù)器等等。</p><p>　　4.5 D觸發(fā)器電路</p><p>　　D觸發(fā)器的原理圖如下圖3-5所示：&

50、lt;/p><p>　　圖4-5 Ｄ觸發(fā)器件原理圖</p><p>　　D觸發(fā)器的輸入端由時(shí)鐘信號(hào)端clk、數(shù)據(jù)信號(hào)端、反相復(fù)位端CLRN和反相置位端PRN組成，CLRN、PRN控制信號(hào)分別從方框小圓圈處輸入，表示低電平控制信號(hào)有效。Ｄ觸發(fā)器輸出端由兩個(gè)互為反相的Q端和~Ｑ端組成。</p><p>　?。挠|發(fā)器的Ｄ代表延遲或數(shù)據(jù)，它的輸出是發(fā)生在早于一個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的Ｄ

51、輸入的函數(shù)。在時(shí)鐘脈沖期間，在Ｄ輸入提供“１”會(huì)導(dǎo)致輸出變?yōu)椋?，否則輸出變?yōu)椋啊?lt;/p><p>　　5 最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　整個(gè)設(shè)計(jì)用到的模塊組成的最小系統(tǒng)原理圖如下圖5-1所示：</p><p>　　圖5-1最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)是基于FPGA最小系統(tǒng)原理圖，再配以所需的外設(shè)。最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包

52、含了時(shí)鐘產(chǎn)生電路模塊、PS程序下載配置電路模塊、電源電路模塊，右邊的是FPGA芯片EP1K30TC143器件。通過(guò)連線將各個(gè)模塊進(jìn)行連接成最小系統(tǒng)。由于本設(shè)計(jì)電路比較簡(jiǎn)單，外設(shè)比較少。</p><p>　　將外設(shè)與最小系統(tǒng)進(jìn)行合理正確連接，即可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的電路原理要求。圖中將各外設(shè)模塊和芯片電路各對(duì)應(yīng)管腳進(jìn)行合理正確連接，即可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的電路原理要求，A，B的輸入由程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，在輸出端口，可以外接一個(gè)示波器，用來(lái)

53、檢查電路是否輸出了脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，以及占空比是否符合要求，用以驗(yàn)證電路的功能。</p><p><b>　　6 軟件實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　通過(guò)至頂向下（TOP--DOWN）的設(shè)計(jì)方法，我們對(duì)電路的設(shè)計(jì)要求作了分析，從電路要實(shí)現(xiàn)的功能著手，逐層分析電路設(shè)計(jì)的步驟，再具體到各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及各模塊實(shí)現(xiàn)方案的選擇。從本設(shè)計(jì)的電路要求，通過(guò)兩個(gè)可加載8位計(jì)

54、數(shù)器lcnt8.v實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　6.1軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)程序如下: </b></p><p>　　A、代碼頂層：模塊pwm_gn.v</p><p>　　//PWM generator</p><p>　　modu

55、le d(clk,rst_n,a,b,pwmout,ld1,ld2,cao1,cao2,pwmint);//pwm_gn</p><p>　　input clk; //system clock</p><p>　　input rst_n; //reset</p><p>　　input [7:0] a; //pulse width contr

56、ol input</p><p>　　input [7:0] b; //pulse width control input</p><p>　　inout reg ld1;</p><p>　　inout reg ld2;</p><p>　　output pwmout;</p><p>　　output cao1

57、,cao2; //only for observation, can be removed </p><p>　　wire cao1;</p><p>　　wire cao2;</p><p>　　reg pwmout;</p><p>　　inout pwmint;</p><p>　　reg pwmint;&l

58、t;/p><p>　　//intantiate two loadable 0~255 counter</p><p>　　lcnt_8 u1_lcnt8(</p><p>　　.clk(clk),</p><p>　　.rst_n(rst_n),</p><p><b>　　.ld(ld1),</b>

59、</p><p><b>　　.d(a),</b></p><p>　　.cao(cao1));</p><p>　　lcnt_8 u2_lcnt8(</p><p>　　.clk(clk),</p><p>　　.rst_n(rst_n),</p><p><b&g

60、t;　　.ld(ld2),</b></p><p><b>　　.d(b),</b></p><p>　　.cao(cao2));</p><p>　　//two loadable counter control and reloading control</p><p>　　always@(posedge

61、cao2 or posedge cao1)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if (cao1==1'b1) begin</p><p>　　pwmint<=1'b0;</p><p><b>　　end</b></p><

62、p>　　else if (cao2==1) begin</p><p>　　pwmint<=1'b1;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　ld1<=!pwmint;</p><p>　　ld2<=pwmint;</p><p>　　pw

63、mout<=pwmint;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　endmodule</b></p><p>　　B、8位可加載計(jì)數(shù)器：lcnt8</p><p>　　//8bit loadble increment counter</p>&l

64、t;p>　　module lcnt8(clk,rst_n,ld,d,cao);</p><p>　　input clk;</p><p><b>　　input ld;</b></p><p>　　input [7:0] d;</p><p>　　input rst_n;</p><p>　

65、　output cao;</p><p>　　reg [7:0] count;</p><p><b>　　reg cao;</b></p><p>　　always@(posedge clk )</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if (!

66、rst_n) begin</p><p>　　count<=8'b00000000;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　else if (ld) begin</p><p><b>　　count<=d;</b></p><p&g

67、t;<b>　　end</b></p><p>　　else begin</p><p>　　count<=count+1'b1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　

68、always@(posedge clk)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if (count==254) begin</p><p>　　cao<=1'b1;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　e

69、lse begin</p><p>　　cao<=1'b0;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　endmodule</b></p><p><b>

70、　　6.2思考題擴(kuò)展</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)電路中，脈沖調(diào)制信號(hào)的占空比由A，B與255的差值決定，擴(kuò)展電路的實(shí)現(xiàn)占空比由A，B的值決定，即高低電平持續(xù)時(shí)間由A，B來(lái)決定，具體電路由兩個(gè)八位可加載減計(jì)數(shù)器，D觸發(fā)器和非門等組成，八位可加載減計(jì)數(shù)器的程序和仿真圖如下：</p><p>　　程序：module subb(clk,rst_n,ld,d,cao);</

71、p><p>　　input clk;</p><p><b>　　input ld;</b></p><p>　　input [7:0] d;</p><p>　　input rst_n;</p><p>　　output cao;</p><p>　　reg [7:0] co

72、unt;</p><p><b>　　reg cao;</b></p><p>　　always@(posedge clk )</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if (!rst_n) begin</p><p>　　count<=8&

73、#39;b11111111;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　else if (ld) begin</p><p><b>　　count<=d;</b></p><p><b>　　end</b></p><p>

74、　　else begin</p><p>　　count<=count-1'b1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　always@(posedge clk)</p><p><b&

75、gt;　　begin</b></p><p>　　if (count==0) begin</p><p>　　cao<=1'b1;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　else </b></p><p><b

76、>　　begin</b></p><p>　　cao<=1'b0;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　endmodule</b></p><p&

77、gt;　　上面程序在ＱuartusⅡ軟件中仿真的波形圖如下圖所示：</p><p>　　圖7-6 頂層電路的仿真圖</p><p>　　圖7-7八位可加載減計(jì)數(shù)器的仿真圖</p><p>　　7 系統(tǒng)仿真及調(diào)試</p><p><b>　　7.1仿真</b></p><p>　　通過(guò)Quartu

78、sII軟件，我們進(jìn)行了仿真，其仿真波形如下圖所示：</p><p>　　圖7-1 頂層激勵(lì)波形</p><p>　　圖7-2 頂層輸出波形</p><p>　　圖7-3 8位可加載計(jì)數(shù)器輸入波形</p><p>　　圖7-4 8位可加載計(jì)數(shù)器輸出波形</p><p>　　在Quartus I I 6.0軟件中利用硬件

79、描述語(yǔ)言描述電路后，用Tools/Netlist Viewers/RTL Viewer生成的對(duì)應(yīng)的電路圖如下：</p><p>　　圖7-5 數(shù)控脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器電路圖</p><p><b>　　7.2 調(diào)試</b></p><p>　　在QuartusII軟件中，通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言代碼進(jìn)行波形仿真后，達(dá)到了預(yù)期效果，于是，我們

80、在該軟件上進(jìn)行下載配置設(shè)置。在Assignments菜單下選中Devices，在Family欄選擇ACEX1K，選中EP1K30TC144-2器件。再在Assignments菜單下選中Pins按照相應(yīng)要求對(duì)管腳進(jìn)行鎖定。最后在Tools菜單下，選中Programmer，對(duì)配置方式進(jìn)行設(shè)置，這里選擇Passive Seril(PS)被動(dòng)串行模式。選擇好要下載的硬件設(shè)備后點(diǎn)擊Start即可開始編程下載了。</p><p&

81、gt;　　調(diào)試過(guò)程為在線調(diào)試。在通過(guò)調(diào)試中，我們需要注意很多問(wèn)題，現(xiàn)歸納如下：</p><p>　?。?）在軟件上能實(shí)現(xiàn)仿真的程序不一定在硬件電路上就能運(yùn)行，原因有很多，這里是由于電路中的時(shí)鐘頻率不一定準(zhǔn)確，使輸出的代碼無(wú)法在示波器上正確的顯示出來(lái)，或者不能夠清晰的讀數(shù)等等問(wèn)題。</p><p>　?。?）調(diào)試中的實(shí)際問(wèn)題需要考慮，要在不加電檢查電路板有無(wú)短路，元件焊接錯(cuò)誤。如果不認(rèn)真檢查

82、在加電后就會(huì)導(dǎo)致器件因短路而被燒壞或者是輸出錯(cuò)誤、沒(méi)有任何輸出等等一些問(wèn)題的出現(xiàn)。在ＱuartusⅡ軟件中則不能進(jìn)行正確的仿真，可以直接將程序下載到電路板上去調(diào)試。</p><p>　?。?）加電后測(cè)試時(shí)鐘，供電、輸入信號(hào)等是否正確。對(duì)FPGA處理后的輸出信號(hào)測(cè)試，對(duì)整個(gè)板測(cè)驗(yàn)證所有功能。檢查計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間和延遲時(shí)間是否和所要求的相同，輸出結(jié)果是否和在ＱuartusⅡ里軟件仿真結(jié)果相同，如果不同就要進(jìn)行調(diào)試和

83、檢查，找到真的問(wèn)題并解決。</p><p><b>　　8 總結(jié)</b></p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，我們完成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求及功能。在設(shè)計(jì)開始前我們對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們相互協(xié)調(diào)，積極參與完成各個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。</p><p>　　通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我們?cè)趯?duì)EDA這門技術(shù)上有了更深刻的認(rèn)識(shí)，也從實(shí)

84、踐的例子中去感受到了EDA設(shè)計(jì)給我們?cè)O(shè)計(jì)帶來(lái)的改變與進(jìn)步。我們不僅掌握QuartusII軟件的使用，與此同時(shí)，我們還對(duì)電子設(shè)計(jì)的思路有了更多的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)EDA設(shè)計(jì)中的TOP-DOWN設(shè)計(jì)方式的運(yùn)用，體會(huì)到了對(duì)于一個(gè)大型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選取應(yīng)從頂向下的設(shè)計(jì)思路，這與傳統(tǒng)的至底向上的設(shè)計(jì)方式有很大改進(jìn)，且設(shè)計(jì)效率得到大大提高。</p><p>　　由于時(shí)間倉(cāng)促和我們自身水平有限，本設(shè)計(jì)在功能上也只是完成了一些基本功能

85、，對(duì)于電路的可靠性，穩(wěn)定性等參數(shù)還未做過(guò)詳細(xì)的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控脈沖調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，對(duì)于FPGA器件和計(jì)數(shù)器的相關(guān)功能參數(shù)沒(méi)有準(zhǔn)確的測(cè)試。對(duì)于輸入控制高低電平的持續(xù)時(shí)間由輸入A、B與255的差值控制的改進(jìn)，在A、B信號(hào)后接入555定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)差值。</p><p>　　在xx老師的辛勤指導(dǎo)下，以及同學(xué)之間相互討論和幫助，才使課程設(shè)計(jì)能夠順利的完成。在此我要感謝電氣信息學(xué)院提供這次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)

86、；感謝電氣信息學(xué)院各位師兄的幫組。在這里我要特別感謝xx老師，在我們的設(shè)計(jì)過(guò)程中，至始至終都得到了夏凌老師的悉心指導(dǎo)，我們的設(shè)計(jì)才得以順利完成。</p><p><b>　　9 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 謝自美 主編．電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試（第二版）[M]．華中理工大學(xué)出版社，2003.10</p><p>　　[2]

87、姜宇柏，黃志強(qiáng)等，通信收發(fā)信機(jī)的verilog實(shí)現(xiàn)與仿真，機(jī)械工業(yè)出版社，2007 </p><p>　　[3] 盧毅編著.VHDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì)[M].北京.科技大學(xué)出版，2001</p><p>　　[4] 張延偉等編.verilogHDL程序設(shè)計(jì)師李祥解[M].人民郵電出版社，2008</p><p>　　[5] 潘軍、王國(guó)棟編．VHDL使用教程．電子科技大

88、學(xué)出版社，2000</p><p>　　[6] 王金明 主編．?dāng)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL（第三版）[M]．電子工業(yè)出版社，2009.7</p><p>　　[7] 侯佰亨，顧新編著.VHDL硬件描述語(yǔ)言與實(shí)際應(yīng)用[M].西安.西安電子社，2000</p><p>　　[8] 陳賾 主編．《CPLD/FPGA與ASIC設(shè)計(jì)實(shí)踐教程》科學(xué)出版社，2005.8&