毕业论文——数字集成电路

1、毕业论文数字集成电路引言 当今社会是数字化的社会，也是数字集成电路广泛应用的社会。而数字集成电路本身也在不断地进行更新换代，不断的进步创新。它由早期的电子管.晶体管.小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路（VLSIC，几万门以上）以及具有许多特定功能的专用集成电路（ASIC）。并且在现代高新电子产品的设计和生产中，数字集成电路技术和现代电子设计技术是相互促进.相互推动又相互制约的两个技术环节。前者的进步就表现在大规模集成电路加工技术，即半导体工艺技术的发展上；而后者的核心则是EDA（电子设计自动化）技术，它使得设计者的工作仅限于软件的方式，即利用硬件描述语言（本文只涉及到VHDL硬件描述语言

2、）和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现，避免了硬件电路在搭接时所出现的问题。1.1 ASIC技术促使可编程逻辑器件发展 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已经不再由某个大规模的生产厂商来独自承担了，更甚至于系统设计师们都愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中。也就是这种现场可用的思想促成了现场可编程逻辑器件（FPLD）的出现，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）了。对于电子系统设计来说，在以前的很长一段时间里，设计某个电子控制系

3、统大多数情况下是用指令少.功能单一的单片机，但是用其开发出来的硬件系统及其电路结构庞大而复杂.成本高.经常容易发生电路方面的故障，并且由于系统是针对某一个特定的功能而设计的，对今后系统的升级和功能扩展都非常困难。显然这样的单片机在某种程度上已经不能再满足设计要求了。而CPLD（或FPGA）芯片作为一种新兴的设计器件，在技术上与单片机相比有很多优势，光说其实现的工艺就有反熔丝技术.EPROM技术和EEPROM技术等。实现了电可擦除.电可改写和紫外线擦除，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性。这些PLD器件的一个共同特点，就是可以实现速度特性较好的逻辑功能，可见用这种CPL

4、D芯片进行开发设计时，只需要增加少量的外围电路，并结合可控制它的丰富的指令集合，就可以获得功能强大的控制系统。又由于这种芯片内含有可下载程序固定接口和EEPROM.Flash。因此，开发出来的系统具有可升级性(内部程序可擦除，进行重新烧写)，用户可以根据需要对其进行功能扩展，既可以缩短系统开发周期，又可以减少开资。利用EDA技术（CPLD/FPGA）进行电子系统设计的最终目标，是完成专用集成电路ASIC的设计和实现，而在电子科技高速发展的当今，再加上上述CPLD/FPGA（复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列）的各种优点，它以成为实现这一途径的主流器件。其特点是直接面向用户，具有极大的灵活性和

5、通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低，上市时间短，技术维护简单，工作可靠性能好。例如Altera公司最新生产的MAXII系列PLD ，这是一种基于FPGA（LUT）结构，集成配置芯片的PLD，在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置时间极短，上电就可以工作，所以对用户来说，感觉不到配置过程，可以与传统的PLD一样使用，加上容量和传统PLD类似，所以Altera公司把它归作PLD。还有像Lattice公司的XP系列FPGA，也是使用了同样的原理，将外部配置芯片集成到内部，在使用方法上和PLD类似，但是因为容量大，性能和传统与FPGA相同，也是LUT架构，所

6、以Lattice仍把它归为FPGA之列。总之，由于以上的各种突出优点，CPLD或FPGA芯片已成为大多数电子设计工程师进行电子设计的首选器件。1.2 CPLD（FPGA）实现系统控制 把以CPLD（或FPGA）芯片为核心，作为主控制器开发出来的各种测量及控制系统，作为家用电子产品的一个组成部分嵌入某个系统中，使其更具智能化.拥有更多功能，便于人们操作和使用，从而更具时代感，这也是家用电子产品的发展方向和趋势所在。有的家用电器领域要求增加显示.报警和自动诊断等功能。这就要求我们生产的产品具有自动控制系统。而所谓的自动控制功能的实现主要是由计算机来完成的，可用的方法主要有两种：离线控制和在线控制。

7、离线控制包括利用计算机实现对控制系统总体的分析.设计.仿真及建模等工作；在线控制就是以计算机代替常规的模拟或数字控制电路，使控制系统“软化”，让计算机位于其中，并成为控制系统.测试系统及信号处理系统的一个组成部分。这类控制由于需要有像计算机一样的智能控制系统身处其中，因此对控制系统有体积小.功耗低.价格低廉以及控制功能强大等要求，而为了满足这些要求，就应当使用可编程逻辑器件的具体芯片来实现。例如：本文所研究的课题就是利用CPLD器件（EP1K100QC208-3）为主控芯片，来实现系统的整体功能的。然而，由于CPLD与控制对象联系密切，所以设计一个系统，不但对CPLD芯片的性能要求高，而且对设

8、计者的要求也很高。他们不但要熟练掌握CPLD知识，而且还要了解控制对象，懂得传感器技术，具有一定的控制理论知识等。还拿本文所研究的课题为例，除了利用CPLD具体芯片外，还用到了传感器，A/D转换器以及放大显示电路等，才实现完成了系统总体功能检测室温显示，并实现报警。2 系统原理和部分方案比较 一个完整的系统，必须经过系统整体原理分析和各部分的方案比较，选择最佳最优的实现方法，才能完美而立于不败之地。2.1 系统原理概述 当今社会，随着现代测量.控制和自动化技术的发展，信息采集的方法越来越多，而在所有信息的采集途径中，用的最普遍.最基础的，就是传感器。如果把电子计算机比作人的“大脑”,那么传感器

9、则酷似人的“五官”（视觉.嗅觉.味觉.听觉和触觉）了。其重要性则可一目了然，不过对传感器的要求可要比人的五官的要求高得多，并且传感器的种类也在日益增多，涉及到的范围也日益变广。如AD公司生产的模拟电压输出型的温度传感器TMP35/36/37，它主要应用于环境控制系统.过热保护.工业过程控制.火灾报警系统.电源系统监控以及仪器散热风扇的控制等。还有NATIONAL SEMICONDUCTOR生产的与微处理器相结合的测温及温度控制.管理的温度测量控制器LM80，它主要应用于个人计算机及服务器的硬件及系统的温度监控.办公室设备.电子测试设备等。以及MAXIN公司生产的主要应用于CPU冷却控制的PWM

10、风扇控制器及遥控温度传感器MAX1669。因此，测量外界温度的方法有很多种，然而，由于热敏电阻及其放大电路受到环境的影响，在不同的条件下会出现不同的测温偏差，而TMP35/36/37，LM80，MAX1669这些传感器的造价又太高，在相同条件下，由于测温精度.处理精度等多方面的因素，不同的通道也会出现不同的偏差，因此必须采用一种灵活的修正方式，这便用到了电压型的温度传感器LM35D。它的线性好（10mV/），宽量程（0-100），精度高（+0.4 ），低成本，而且采集到的是电压型信号，易于处理，使得电路简单实用3。如上所述，本课题的设计就是利用温度传感器LM35D来采集温度信号的，随后将采集到

11、的微弱模拟电压信号经过放大器OP07放大倍后送入A/D转换器（ADC0804），将其转换为数字信号后，再传给CPLD芯片（这里用到的型号是EP1K100QC208-3），即该系统的核心部件，通过硬件描述语言（VHDL）编程进行信号处理，然后经过预先设置好的端口将数字信号传送给74LS138译码器以及驱动器CD4511和报警器，使LED八段数码管动态显示室温和实现报警。经实验调试，用该方法对0-100范围的温度测量时，测量误差为+0.4，可靠性好.抗干扰性能强。采用CPLD芯片作为核心监控器对外界温度进行测量，这样，既可以降低对温度传感器和放大电路的要求，从而降低成本，又可以针对不同外部环境或不

12、同通道对温度显示的显示监控设定进行灵活修改，实现系统的升级。2.2 课题总体要求 (1)利用电压型温度传感器LM35D作为信息采集器件采集室温并产生10mv/的电压信号； （2）利用OP07放大器将微弱的电压信号放大预先设置好的倍数，以驱动后面电路； (3)利用A/D转换器将放大后的模拟信号转换为数字信号，供系统处理； (4)将数字信号送入CPLD芯片进行处理； (5)时时显示转换后的室温，进行监控； (6)温度超过警戒温度时，进行报警。2.3 系统各部分方案比较2.3.1 信号采集方案比较 在目前，信号采集有多种方法，而可用于本系统的温度的信号采集大致有三种方法，下面分别介绍各种方法的优缺点

13、，讨论它们的可行性。方案一：采用热敏电阻采集室内温度信号。用此方法可满足40-90的测量范围，但热敏电阻的精度.重复性及其可靠性都比较差，并且对于检测小于1的温度信号时，误差大.不可靠，所以此方法不可取。方案二：利用电流型温度传感器AD590采集室内温度信号。AD590具有较高精度和重复性（重复性优于0.1），其良好的非线性可以保证优于+0.2的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿，可以达到+0.2测量精度。电流型温度传感器AD590是二端器件，它采用了一种独特的电路结构，利用最新的薄膜激光微调技术作最后的定标，因而具有很高的精度。且其灵敏度为1uA/K，具有很宽的工作电源电压范围

14、和很高的输入阻抗。作为一种高阻电流源，我们不需要考虑其传输线上的电压信号损失和噪声干扰的问题，因此特别适合做远距离测量或控制应用。出于同样的道理，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引入的附加电阻造成的误差。但是，由于AD590采集到的信号是电流信号，所以在将数据传给ADC0804模数转换器之前，必须先把电流信号转变成电压信号，在此期间不但造成了一定的信号损失，又影响了精度，这就要求我们在A/D转换器前设计一个信号保持电路。这样一来，用AD590来检测.采集室温的电路就显得很复杂。而且，在高精度测温电路中，还必须考虑AD590的输出电流不被分流影响

15、，因此也放弃使用本方案。方案三：采用电压型温度传感器LM35D采集温度信号。LM35D是精密集成电路温度传感器，它的输出电压与摄氏温度线性成比例，比例关系是10mV/。并且，LM35D无需外部校准或微调来提供0.4的常用的室温精度，就把信号损失减少到了最小。而又因为它的线性性极好，所以编程时很容易实现。因此，对于本课题来说，选用此方案。2.3.2 模拟信号数字化处理方案 由于整个系统主要是处理数字信号而进行工作的，所以当由传感器采集到模拟信号后，必须先进行模数转换才能够使整个系统运行工作。而对于模数转换器件的选择，本课题用的是ADC0804，即系统采用ADC0804模数转换器作为模拟信号数字化

16、的器件，进行数字化处理，为系统提供数字信号量的。2.3.3 信号处理方案 本系统利用CPLD芯片进行信号处理。将经过A/D转换器转换后的数字信号送入CPLD芯片，进而根据已经编好的程序（程序见附录）处理温度的数字信息，进一步时时显示室内温度和报警，达到时时监控的目的。也就是说采用CPLD芯片作为系统信号处理主控制器。2.3.4 显示部分方案比较 方案一：以前的电子工程师们进行电子设计时，大部分都使用单片机通过串口通信线TXD.RXD（P3.0.P3.1），再加移位寄存器74LS164来实现LED的显示功能，如图2-1所示。这样一来，使得每一个LED数码管都需要一片74LS164，使得电路比较麻

17、烦，并且与单片机接口的编程程序不易实现，所以本课题放弃使用次方案。L ED LED74LS16474LS164 RXD TXD 图2-1 通过串口通信线TXO .RXD实现LED显示功能 方案二：近年来，国内外有许多基于串行总线方式的LED显示器接口芯片不断出现，这些芯片与另一种功能更强.速度更快的控制芯片连接，可实现以往单片机不能实现的多种功能，并且具有占用I/O口线少，进行功能扩展方便，使用起来分容易等特点，这就是用EDA技术来开发的CPLD芯片，因此本系统选用此方案。在选用CPLD芯片后，再选用3个共阴极的8段数码显示管（TOD5201AE）来实现动态显示，用CPLD已经编好的程序来驱动

18、一片CD4511和一片74LS138就可以控制段码和位选，以实现温度显示的功能。2.3.5 系统报警方案设计 在设计开始时，想要的系统功能之一，是想让在室温达到并超过警戒温度时，系统可实现报警，给人以提示。在此，可用一个风鸣器和一个三极管放大电路来实现报警功能。具体的电路分析，详述见下文中。3 系统整体硬件设计方案3.1 系统工作原理流程 根据课题设计要求可知，该系统需要利用电压型温度传感器采集室内温度，产生10mV/的电压信号，随后，将该信号送入放大器进行放大，再把此放大后的信号送给A/D转换器进行模数转换，之后由CPLD芯片编程处理，即通过CPLD芯片编程设定上下限报警温度，并显示转换后的

19、室温。具体流程图如图3-1所示。C PU控制电路 A/D转换电路 放大电路 传感器控制电路 译码驱动电路 显示电路 报警电路 图3-1 系统流程图 在温度信号采集电路中采用方案三，使用线性成比例（10mV/）的电压型温度传感器采集信号，之后，将微弱电压信号经过整个硬件与软件系统放大100倍后的电压信号使其显示就是室温。首先，使采集到的电压信号经过放大电路放大倍后送入A/D转换器（ADC0804）。在此，将ADC0804的基准电压设为2.5V，由于它为8位转换器，其内部转换关系将输入信号扩大50倍后，才将模拟信号转换为数字信号。之后，将转换后的数字信号传给CPLD芯片（EP1K100QC208-

20、3），通过VHDL编程将扩大了500倍的信号缩小5倍，即可将输入的微弱电压信号最终放大100倍，现在的电压值便是室温值。然后经过设置的I/O口将数字信号传送给74LS138译码器以及驱动器CD4511和报警器，使LED八段数码管动态显示室温和实现报警，从而实现整个系统的设计功能。3.2 传感器及放大电路3.2.1 电压型温度传感器LM35D 如图3-2所示，是一般传感器的工作原理方框图。敏感元件 转换元件 测量电路 辅助电源 非电量 电量 图3-2 传感器原理框图 本系统的设计所用的传感器为LM35D，它是LM35系列的一种，是精密集成电路温度传感器，其输出电压与摄氏温度线性成比例（10.0m

21、V/），如图3-3所示其关系3。U (V)40302010 012345 T()图3-3 传感器温度电压关系曲线 因而LM35系列有优于用开尔文作为标准的线性温度传感器，在额定工作温度范围内精度为3/4。其密封适合用TO-46晶体管封装，也适合用塑料TO-92晶体管封装。其特性如下： (1)直接用摄氏温度校准，线性+10.0mV/比例因数； （2）在-55+150额定范围内保证0.5精度（在+25时）； (3)适用于遥控设备，因晶体片微调而低费用； (4)工作在430V，小于60A漏泄电流，有较低自热，在静止空气中0.08； (5)只有1/4非线性值，低阻抗输出，1mA负载时0.1。L M35

22、系列中的LM35D的工作电压为4V20V，故可直接用温控电路的电源，但要加一个隔离二极管及平滑电容C。LM35D测温范围0100，输出电压直接与摄氏温度成比例，灵敏度为10mV/。将其输出电压接2V直流电压挡数字万用表，可读出的分辨率为0.1的温度读数。例如：室内温度是28.7，那么其转换关系是28.710 mV/=287mV （3.1） 则表上的读数就为287mV，即反映室内温度：28.7。图3-4 LM35D的引脚及封装 集成温度传感器LM35D是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器，它的外形与封装如下图（见图3-4）。图3-4 LM35D是一种输出电压与摄氏温度成

23、正比例的温度传感器，精度为1。最大线性误差为0.5，静态电流为80uA。该器件如塑封三极管（TO-92）。该温度传感器最大的特点是使用时无需外围元件，也无需调试和较正（标定）。如下图所示（图3-5）是LM35D的典型测温电路及其转换电路的接口电路。图3-5 LM35D的典型测温电路及与转换电路接口 在图3-5中，经LM35D输出端输出的信号经过了由75的电阻和1uF的电容构成的积分滤波网络，可滤除其他的杂质信号，使采集到的与温度成比例（10mV/）的电压信号更加稳定，之后再将温度信号经过放大器送给ADC0804进行转换。3.2.2 放大电路设计 图3-6 系统的放大电路部分 如图3-6所示，为

24、系统的放大电路部分，电压型温度传感器LM35D采集到的室温为很微弱的模拟量。例如：若室温为26，那么经LM35D采集后得到的电压信号为0.26 V，这样一个微弱的电压信号，既不利于处理又容易产生误差且不稳定。所以我们需要将此信号在整个硬件系统和软件系统中放大100倍（如前所述），之后将其送入驱动电路，即可在LED数码管上显示室温，达到目的。如图所示，在放大电路中，取R6为1K是为了好计算放大倍数，R5用20K的滑动变阻器使这个0.26 V的微弱电压信号可以在0-20的放大倍数范围内可调，在此，将其放大10倍，因此需要将R5调至10K。这样经放大器OP07放大后从第6脚输出的电压信号就为放大倍的

25、2.6V。这样就足以驱动后面的电路进行工作，达到系统设计的目的。3.3 A/D转换电路部分分析3.3.1 A/D转换器 随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制.通信及检测领域中，为提高系统的性能指标，对信号的处理无不广泛的采用了数字计算机。但由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度.压力.位移.图象等），所以要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，首先就必须将这些模拟信号转变为数字信号，这样就需要一种能将模拟信号转化为数字信号的电路模数转换器（A/D转换器）。而为了将时间和幅值都连续的模拟信号转化为时间和幅值都离散的数字信号，一般要经过四个过程5，如图3-7所示。取

26、样 保 持 量 化 编 码 模拟信号 数字信号 图3-7 模数转换流程 而在实际电路中，上述四个过程中有的是合并进行的。例如，取样和保持.量化和编码，往往都是在转化过程中同时实现的。具体介绍如下： (1)取样与保持 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量（这里要注意的是取样以后信号依然是模拟量）。取样的过程示意图如图3-8 所示。V o(t)Vi(t)TG S(t)图3-8 取样过程 图中的传输门受取样信号S（t）的控制，在S（t）的脉宽期间，传输门导通，输出信号Vo（t）为输入信号Vi(t)，即Vo(t)=Vi(t)，而在（Ts）期间，传输门关闭，输出信号Vo（t）=0。可见，

27、取样就是在一个固定的时间点上采集一个模拟信号的具体值，而要将取样得来的模拟信号转换为数字信号得经过一段时间，所以有必要将取样电路每次取得的信号通过保持电路保持一段时间，以便给后续的量化编码提供一个稳定值，即使用保持电路使整个系统更加协调稳定。（2）量化与编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为了将模拟信号转化为数字量，在A/D转化过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还必须用某一个代码表示出来，这个过程就叫做编码。经

28、编码得到的代码就是A/D转换器的最后输出量，就是表示模拟信号大小的数字信号量。3.3.2 A/D转换器的选择 近年来，A/D转换器随着半导体技术的不断发展而日新月异，各种性能优异的A/D转换器层出不穷。早期的A/D转换器与CPU接口一般采用并行总线方式，现在一些采用I2C.SPI 总线的新型A/D转换器相继被国外一些公司推出，极大地丰富了A/D转换器的种类。A /D转换器的位数与一个应用系统前向通道中被测量对象的精度有关。一般情况下，由于客观条件的影响，电路设计中A/D转换器的分辨率要高于被测量对象的信号最低分辨率。假如，我们要测量一组电源电压，其电压的输出范围是0DB7为8位数字信号输出端(

29、即转换后的数字量)，VCC为电源端，GND为接地端，VREF为参考电压输入端，CLK是时钟信号输入端，第6脚接的是放大器送出的温度信号量。信号从ADC0804的第6脚送入，R3与C3通过ADC0804的19脚（CLKR）接地与4脚（CLK）向内部电路提供时钟信号，以给ADC0804一个正确的时序，使其正确工作。如果从量程为0-100LM35D采集到最高温度100，那么由于LM35D灵敏度为10mV/以及经过放大器OP07后放大倍，则传到ADC0804输入脚VI+的电压信号为10V，再经过ADC0804内部的输入电压与基准电压的公式（如下）放大50倍(此50倍为数字量的50倍)： （Ui/VREF*2）*256 (3.2)其中“*”符号表示乘的意思，Ui表示为输入电压，即VI+，VREF为ADC0804内部设定的基准电压（随时可以更改）。如下图（图3-10）是A/D转换过程： Ve Vx （1000）（0100）（0110）（0111） t 图3-10 A/D转换过程原理图 在硬件设计中，我们将基准电压（VREF）调至2.5V，将VI+=10V代入上公式则可得ADC0804的输出为10V电压的256/550倍，将其送入电路的