1、- 1 - 电子系统设计与制作 简易综合电子实验仪 学 院 实验学院 专 业 电子信息工程 班 级 065211 姓 名 孙麒 李炜辰 陈帆 学 号 06521128 06521124 06521112 日 期 2009 年 6 月 30 日 2 摘要 本系统基于 FPGA 技术，以 FPGA 为 EDA 开发平台，可以完成简单的信号采集和简单的低频信号的产生。 系统融合了 A/D 和 D/A 电路设计和制作。模拟被测信号经过运算放大电路的放大，经过电路调整由 A/D 电路采集，由 FPGA 控制液晶显示数值； FPGA 产生波形数据，由 D/A 电路产生对应电压信号，产生任意波形。 关键字
2、： FPGA 采集 测量 3 Abstract The system is based on FPGA technology to FPGA development platform for the EDA， to complete a simple signal acquisition and a simple selection of low-frequency signals. System integration of the A / D and D / A circuit design and production. After computing the measured anal
3、og signal amplification amplifier after adjustment circuit from A / D circuit collection， liquid crystal display by the FPGA to control values; FPGA waveform data generated by the D / A circuits have a corresponding voltage signal， resulting in arbitrary waveform. Keywords: FPGA acquisition measurem
4、ent 4 目录 1 任务 . 5 2 要求 . 5 2.1 基本要求 . 5 2.2 发挥部分 . 5 3 方案设计与方案比较 . 6 3.1 设计平台与仿真工具 . 6 3.2.1 FPGA 器件的选择 . 6 3.2.2 A/D 芯片选型 . 6 4 方案设计 . 8 4.1 系统介绍 . 8 4.2 系统设计方案 . 8 4.2.1 系统框图 . 8 4.2.2 工作原理 . 9 4.3 单元电路设计 . 9 4.3.1 A/D 转换 . 9 4.3.2 D/A 转换 .11 4.3.3 放大电路 . 12 4.3.4 键盘 . 12 5.电路图及有关设计文件 . 13 5.1 系统原
5、理图 . 13 5.2 PCB 板图 . 14 6.测试方法与仪器 . 15 7.测试数据及测试结果分析 . 16 7.1 测试数据 . 16 7.2 产生波形接入示波器观察，发现问题 . 16 8.部分代码和软件程序 . 17 8.1 软件设计总体框架 . 17 8.2 主要控制电路代码 . 18 附录 . 21 结果演示图 . 21 参考文献 . 22 5 1 任务 以 FPGA 自身资源为基础，制作一个简易综合电子实验仪，具有信号源、测量仪表等功能。 2 要求 2.1 基本要求 （ 1）可输出正弦波信号，频率范围 10HZ-10kHZ，输出幅度可调。 （ 2）可输出一种任意波形信号，频率
6、范围 2kHZ。 （ 3）输出正弦波信号的同时，可输出方波信号（占空比 50%）， TTL 电平。 （ 4）可测量模拟输入电压信号，能显示其频率和幅度（有效值）。 2.2 发挥部分 （ 1）增加输出波形的种类。 （ 2）输入测量方面提高精度，扩大量程、增加路数。 （ 3）使用示波器 X-Y 输入显示输入波形。 （ 4）其他实用功能及设计。 6 3 方案 设计与方案 比较 3.1 设计平台与仿真工具 Quartus II 是一种强有力的 提供了 EDA 工具，是美国 altera 公司推出的，它 完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括：可利用原理图、结构框图、 V
7、erilog HDL、 AHDL 和 VHDL 完 成电路描述，并将其保存为设计实体文件 ； 芯片（电路）平面布局连线编辑； Logic Lock 增量设计方法，可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块 ； 功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；定时 /时序分析与关键路径延时分析；可使用 Signal Tap II 逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析 ； 支持软件源文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件；使用组合编译方式可一次完成整体设计流程；自动定位编译错误；高效的期间编程与验证工具；可读入标准的 EDIF 网表文件、 VHDL 网表
8、文件和 Verilog 网表文件；能生成第三方 SOPC 软件使用的 VHDL 网表文件和 Verilog 网表文件。 测试采用了 Quartus II 的内嵌式逻辑分析仪 内嵌式逻辑分析仪三项主要优点： 1. 它们的使用不增加引脚。可通过 FPGA 上已有的专门 JTAG 引脚访问，即使没有其它可用引脚，这种调试方法也能得到内部可视能力。 2. 简单的探测。探测包括把结点路由到内部逻辑分析仪的输入，不需要担心为得到有效信息，应如何连接到电路板上，也不存在信号完整性问题。 3. 内核是便宜的。 FPGA 厂商把他们的业务模型建立于 用芯片所获取价值的基础上，所以所用的调试 IP 通常能以低于
9、$1， 000 美元的价格获得。 3.2 芯片方案 3.2.1 FPGA 器件的选择 由于 Altera 大学计划较为普及，设计并平台搭建方便，故采用 Altera FPGA。 Altera 的主流 FPGA 分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如 Cyclone， Cyclone II；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能满足各类高端应用，如 Startix， Stratix II 等，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满 足的情况下，优先选择低成本器件。 Cyclone（飓风）： Altera 中等规模 FPGA， 2003 年推出，
10、0.13um 工艺， 1.5v内核供电，与 Stratix 结构类似，是一种低成本 FPGA 系列，是目前主流产品，其配置芯片也改用全新的产品。 Cyclone II： 2005 年开始推出， 90nm 工艺， 1.2v 内核供电，属于低成本 FPGA，性能和 Cyclone 相当，提供了硬件乘法器单元 Cyclone 即可以满足本次课题的设计需求，所以本课题选用 Cyclone。 3.2.2 A/D 芯片选型 根据资料， TLC0820， ADC0804 和 ADC0809 都是逐次逼近型 A/D 转换器，性能指标接近。 ADC0804 是单通道的逐次逼近型 A/D 转换芯片，电压范围 05
11、V， 8 位并行7 数据输出，转换时间 100 微秒。 ADC0809 是 8 通道的逐次逼近型 A/D 转换芯片，电压范围与 0804 等芯片一致， 8 位并行输出，转换时间也为 100 微秒。 TLC0820 的正常工作温度是 0-70 ， Vcc 的范围是 4.5V 至 8V，提供 5V 的电压使其正常工作，转换时间为 12 微秒，模拟信号电压输入范围是 -0.1 至Vcc+0.1V， Vef+的范围是 Vef-到 Vcc， Vef+的范围是 GND 到 Vef+。系统采用 8位 A/D，精确度可达到 0.01。读写模式的 tw 的范围是 0.5 至 50 s，即频率范围是 2104 至
12、 2106，能够采集前级的输出信号。 TLC0820 状态机时序与 ADC0809 相比较为简单，转换速度相对于 ADC0804和 ADC0809 较快。由于本设计采用 FPGA 为处理器，工作频率尽量高的原则，以保证能够测量尽量高频率的信号，本设计采用 TLC0820。 8 4 方案设计 4.1 系统介绍 利用 E-Play-SOPC 下载板，建立系统设计平台，实现信号采集、液晶显示和波 形发生的系统功能。通过 E_Play 外扩总线插槽方便的与适配器及其它功能板进行连接组成一个小型应用系统。利用 FPGA 技术的强大功能，实现 A/D 转换，信号采集并显示采集信号的幅度、频率。并利用 D/
13、A 转换产生幅度、频率可调的方波、正弦波、三角波、锯齿波及阶梯波和特殊波形。 4.2 系统设计方案 4.2.1 系统框图 如图 4.2.1 所示 图 4.2.1 系统框图 9 4.2.2 工作原理 信号产生部分： 信号发生器采用 D/A 设计方案。 首先在 FPGA 中设计预先定制好的波形发生 ROM 表，然后键盘控制 FPGA读取 ROM 表中 写好的数据，送至 D/A 转换芯片，再经过低通滤波器将信号输出的波形进行进一步调整，滤波后由示波器观察输出波形。 同时，由键盘输入控制，转换读取数据的 ROM 表格，来转换输出波形的种类；改变 FPGA 读取 ROM 表的读数间隔来改变输出信号的频率
14、；以实现调频。 信号测量部分 ： 幅度值 ：首先对被测信号调整，将被测信号放大，满足 A/D 的采集范围，然后送至 A/D，将信号变为 8 为的数字信号，经过 FPGA 将数据变为人们可以视觉上认识的字符在 LCD 上显示出来。 频率值 ：将被测信号经过放大器放大到可以被比较器识别的幅度值，经过比较 器过零比较，产生同频率的方波信号，可以被 FPGA 直接识别，进行计数，经过FPGA 内部数据处理，计算出被测信号的频率值，再由液晶显示。 4.3 单元电路设计 4.3.1 A/D 转换 A/D 转换是本实验的测量数据方面的主要使用器件，虽然数据的采集和程序设计方面考虑， ADC0804 和 ADC0809 也有一些本身的优点，但为了尽可能的提高 FPGA 本身的使用效率和可以尽可能的提高被测信号的输入范围，本实验采用两种比较高速的 A/D 芯片。如图 4.31 所示。 TLC0820 是 8 位并行 A/D，最高采样频率可达 1MHz， TLC5510 也是 8 位A/D，最高采样频率可达 20MHz。如图 4.3.2 所示。 10 图 4.3.1 主要 A/D 芯片管脚图 TLC0820 可以满足主要的低频率被测信号的采集 图 4.3.2 A/DTLC0820 连线图
