基于fpga多功能波形发生器的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于fpga多功能波形发生器的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

设计描述功能，既可描述系统级电路 , 也可以描述门级电路；描述方式既可以采用行为描述、寄存器传输描述或者结构描述，也可以采用三者的混合描述方式。 同时， VHDL 语言也支持惯性延迟和传输延迟，这样可以准确地建立硬件电路的模型。 VHDL 语言的强大描述能力还体现在它具有丰富的数据类型。 VHDL 语言既支持标准定义的数据类型，也支持用户定义的数据类 型，这样便会给硬件描述带来较大的自由度。 (3) VHDL 语言具有很强的移植能力。 VHDL 语言很强的移植能力主要体现在 : 对于同一个硬件电路的 VHDL 语言描述 , 它可以从一个模拟器移植到另一个模拟器上、从一个综合器移植到另一个综合器上或者从一个工作平台移植到另一个工作平台上去执行。 (4) VHDL 语言的设计描述与器件无关。 采用 VHDL 语言描述硬件电路时 , 设计人员并不需要首先考虑选择进行设计的器件。 这样做的好处是可以使设计人员集中精力进行电路设计的优化 , 而不需要考虑其他的问题。 当硬件 电路的设计描述完成以后 ,VHDL 语言允许采用多种不同的器件结构来实现。 (5) VHDL 语言程序易于共享和复用。 VHDL 语言采用基于库 ( library) 的设计方法。 在设计过程中 , 设计人员可以建立各种可再次利用的模块 , 一个大规模的硬件电路的设计不可能从门级电路开始一步地进行设计 , 而是一些模块的累加。 这些模块可以预先设计或者使用以前设计中的存档模块 , 将这些模块存放在库中 , 就可以在以后的设计中进行复用。 由于 VHDL 语言是一种描述、模拟、综合、优化和布线的标准硬件描述语言 , 因此它可以使设计成果在设计人员之间方便地进行交流和共享 , 从而减小硬件电路设计的工作量 , 缩短开发周期。 QuartusⅡ简介 Quartus II 是 Altera 公司的综合性 PLD 开发软件，支持原理图、 VHDL 以及 AHDL（ Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整 PLD 设计流程。 江西师范大学科学技术学院 14 届毕业设计说明 书 第 7 页 共 36 页 Quartus II 可以在 XP、 Linux 以及 Unix 上使用，除了可以使用 Tcl 脚本完成设计流程外，提 供了完善的用户图形界面设计方式。 具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。 Quartus II 支持 Altera 的 IP核，包含了 LPM/MegaFunction 宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。 对第三方 EDA 工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方 EDA 工具。 此外， Quartus II 通过和 DSP Builder 工具与 Matlab/Simulink 相结合，可以方便地实现各种 DSP 应用系统；支持 Altera 的片上可编程系统（ SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。 MaxplusII 作为 Altera 的上一代 PLD 设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。 目前 Altera 已经停止了对 Maxplus II 的更新支持， Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。 Altera 在Quartus II 中包含了许多诸如 SignalTap II、 Chip Editor 和 RTL Viewer 的设计辅助工具，集成了 SOPC 和 HardCopy 设计流程，并且 继承了 Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。 Altera QuartusII 作为一种可编程逻辑的设计环境 , 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。 Altera 的 Quartus II 可编程逻辑软件属于第四代 PLD 开发平台。 该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于 Inter 的协作设计。 Quartus 平台与 Cadence、 Exemplar Logic、 Mentor Graphics、 Synopsys 和Synplicity 等 EDA 供应商 的开发工具相兼容。 改进了软件的 Logic Lock 模块设计功能，增添 了 Fast Fit 编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。 分析本题，根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图如图 1： 江西师范大学科学技术学院 14 届毕业设计说明 书 第 8 页 共 36 页 图 1 原理框图 2 总体设计方案 设计思路 硬件系统设计 （ 1） 数控核心设计：该 系统采用单片机为核心，采用目前比较通用的 51 系列单片机。 此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，能够实现对外围电路的智能控制。 （ 2） D/A 转换芯片 DAC0832：典型的 D/A 转换芯片 DAC0832，是采用 CMOS 工艺制造的 8 位单片 D/A 转换器。 8 位 D/A，分辨率为 1/256，选采样电阻为 2 欧姆，D/A 输出分辨率为 10mA 的电流，实现步进 10mA，完全能够满足本设计的要求。 （ 3） A/D 转换芯片 ADC0809： ADC0809 是采样频率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模 — 数转换的器件。 其内部有一个 8 通道 多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 个单断模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 由于本设计只有输出电流的采集， 8路输入通道，完全能够满足本系统的设计要求。 （ 4） 键盘电路：在进行电流设定值的调整中仅需要 6 个按键，所以采用独立式按键的键盘接口，即可满足电路的设计要求。 （ 5）显示电路：该系统要实现输出电流 0mA～ 20xxmA，为了实现同时显示电流的设定值与检测值，需要用 8个数码管进行显示。 显示电路采用串行通信方式，利用 8个 74LS164 将串行数据转换为并行输出，去驱动 8位数码管。 软 件系统设计 系统软件完成四个功能： (1)系统的初始化，包括各外围接口芯片的初始化和电流起始值的初始化； (2)键盘检测包括电流的预置与步进调整； (3) 用比较算法进行电流调整 ,实现输出电流的精确控制； (4)实现 D/A 转换和 A/D 转换。 江西师范大学科学技术学院 14 届毕业设计说明 书 第 9 页 共 36 页 设计方框图 根据数控直流电流源的要求，由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，所以不适合采用简单的恒流源电路 FET 和恒流二极管，亦不适合采用开关电源的开关恒流源，否则难以达到输出范围和精度以及纹波的要求。 根据系统要求采用 D/A 转换后接运算放大 器构成的功率放大，控制D/A 的输入从而控制电流值的方法。 系统的原理框图如图 1 所示。 图 1 3 设计原理分析 单片机最小系统 单片机最小系统的设计包括时钟电路、复位电路的设计。 本电路中晶振频率采用 12MHz，则单片机的机器周期就为 1181。 s。 复位电路才采用手动复位和上电复位组合。 键盘电路 对电流值进行设定时需要 6 个按键，该电路中按键采用独立式按键，分别接与 ～ 和。 为了是电路工作可靠，每个端口都接了一个阻值 10K 的上拉 电阻。 电路连接如图 2 所示。 电流值调整按键分布如图 3 所示。 D/A 转换电路 D/A 转换采用典型的转换芯片 DAC0832。 该芯片 8 位数据采用并行输入，所以直接接至单片机的 P2 口。 并且将 DAC0832 连接成直通式工作方式。 键盘电路 显示电路 AT89S51 单片机系统 D/A 转 换 A/D 转 换 V/A 转换及功率放大 负 载 采 样 电 路 江西师范大学科学技术学院 14 届毕业设计说明 书 第 10 页 共 36页 C32 2 u FR81KCRY1 2 M H zC13 3 P FC23 3 P FS7 + 5 VR72 0 0U 1 . 1 8U 1 . 1 9U 1 . 0 9 图 2 图 3 A/D 转换电路 A/D 转换采用典型的转换芯片 ADC0809。 ADC0809 是采样频率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模 — 数转换的器件。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 个单断 模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 ADC0809 芯片转换时需用一个 500KHz 的时钟信号，这个信号是由单片机的 ALE 端输出的 2MHz 信号，经过两个 D 触发器进行四分频得到。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A／ D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A／ D转换完成， EOC 变为高电平，指示 A／ D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。 当 OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 电压－电流转换和功率放大电路 压控恒流源是本系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，图 4 是数控电流源的恒流电路和加法器电路。 运算放大器 LM324 和晶体管V V2组成电压－电流转换器， U1A、 U1B 和电阻 R1－ R8 利用 D/A 的输出实现对电压进行数控。 LM324 主要功能是实现精密 V/I 转换。 TIP42C（ 10A）是大功率PNP 三极管，主要功能是实现功率放大。 确 定 设 置 江西师范大学科学技术学院 14 届毕业设计说明 书 第 11 页 共 36页 因为输出电流范围是 0— 20xxmA，由于取样电阻为 2欧姆 ，则其电压降为 0— 4000mV，即 U1 电压范围为 11V—。 单纯依靠 D/A（ 05V）无法满足要求。 加法器主要是利用其抬高 U1 点的电压，将 U1点的电位抬高到 11V，在 D/A 输出为 0— 5V 时，从而使 R9 上 Vcc20I o u t 111l s b D I 07I o u t 212D I 16D I 25R f b9D I 34D I 416V r e f8D I 515D I 614m s b D I 713I L E19W R 218CS1W R 12X f e r17U3D A C 08 3 032184U 4 A AL M 3 24567U 4 A BL M 3 2432184U 4 A AL M 3 24567U 4 A BL M 3 24R?1 0KR?1 0K+ 5V+ 5VR 1 81 0KR 1 91 0KR 1 71 0KR 2 01 0KR 2 11 0K R 2 21 0KR 2 31 0KR 2 41 0KV1T I P 4 1CV2T I P 4 1CR 2 92+ 15 VRL12345678J2C O N 8U1 图 4 得到 0— 2A的电流。 V/I 转换理论分析： U1A 的输出为： ， 由于 R5＝ R4＝ R2 ＝ 10K， 故。 经过 U1B 的反相作用，故 U2A 的同相输入端的电压为 ，根据运算放大器虚短的特点， U2A 的同相电压等于 U2A 的反相电压，故负载 RL 上。