基于FPGA的数字秒表设计

1、郑州轻院轻工职业学院专科毕业设计（论文） 题 目 基于FPGA的数字秒表设计 学生姓名 陈永超 专业班级 光电子技术 学 号 系 别 机电工程系 指导教师 张明洋 完成时间 2011 年 1 月 2 日 技术在电子线路设计中的应用摘要 电子设计的必由之路是数字化，这已成为共识。EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的。电子技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，EDA技术的含量正以惊人的速度上升，它已成为当今电子技术发展的前沿之一。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计

2、方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。本文首先阐EDA技术的基本概念和发展过程，并通过实例介绍EDA技术在电子设计中的应用。关键词EDA技术概述/电子线路设计/EDA技术的发展The rapid development of the EDA technologyABSTRACTElectronic Design is the comonl

3、y way to digital, which has become the consensus. Electronic products are being carried out at an unprecedented rate of innovation, mainly large-scale programmable logic devices in a wide range of applications. Especially in the current semiconductor technology has reached the level of deep sub-micr

4、on chip integration of high-reach stem megabits, the clock frequency to the stem MHz is also more than the development of the median data of several billion times per second, the future integrated circuit technology will be the development trend of system-on-chip SOC. In order to achieve on-chip sys

5、tem-on-chip programmable complex programmable logic device (CPLD) and field programmable gate array (FPGA) will become the future design of electronic systems, a direction of development. Therefore, the development of electronic design technologies to today, will face even greater significance in an

6、other breakthrough, FPGA on the basis of a wide range of EDA applications.EDA technology concepts: EDA is the electronic design automation, as it is just a new technology developed, involving a wide range of content-rich, understanding of different, so there is no one precise definitiKEY WORDSEDA te

7、chnology, Electronic Design, EDA technology concept前言 在数字化的道路上，电子技术经历了一系列重大的变革。从应用小规模集成电路构成电路系统，到广泛地应用微控制器或单片机(MCU)，在电子系统设计上发生了具有里程碑意义的飞跃。电子产品正在以前所未有的速度进行着革新，主要表现在大规模可编程逻辑器件的广泛应用。特别在当前，半导体工艺水平已经达到深亚微米，芯片的集成高达到干兆位，时钟频率也在向干兆赫兹以上发展，数据传输位数达到每秒几十亿次，未来集成电路技术的发展趋势将是SOC(System 0h aCh5p)片上系统。从而实现可编程片上系统芯片CPU

8、(复杂可编程逻辑器件)和5PGA(现场可编程门阵列)必将成为今后电子系统设计的一个发展方向。所以电子设计技术发展到今天，又将面临另一次更大意义的突破，而EDA(电子设计自动化)技术在电子产品设计上的应用地 日渐突出.一、 EDA技术概述1、EDA技术的概念: EDA是电子设计自动化(E1echonics Des5p AMtoM60n)的缩写。由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义。但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程

9、逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形集成电子系统或专用集成芯片。2、EDA技术的发展大致可以分为三个发展阶段。20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段：这一阶段的主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑，PCB布同布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来。20世纪80年代的QtE(计算机辅助工程设计)阶段：这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时分析、故

10、障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计而能在产品制作之前预知产品的功能与性能。20世纪90年代是EDA(电子设计自动化)阶段：这一阶段的主要特征是以高级描述语言，系统级仿真和综合技术为特点，采用“自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成。EDA是电子技术设计自动化，也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图：在电路板设计阶段，可以使

11、用EDA中电路板设计工具设计多层电路板。特别是支持硬件描述语言的EDA工具的出现，使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计与制造。3、EDA技术的基本特征:EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在汁算机上自动处理完成。设计者采用的设计方法是一种高层次的”自顶向下”的全新设计方法，这种设汁方法首先从系统设计人手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框

12、图一级进行仿真、纠错并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行驶证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路(ASIC)。设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率。4、EDA技术的应用:电子EDA技术发展迅猛，逐渐在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面：几乎所有理工科(特别是电子信息)类的高校

13、都开设了EDA课程。在科研方面：主要利用电路仿真工具进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品调试；将O)LI)FPGA器件的开发应用到仪器设备中。从高性能的微处理器、数字信号处理器一直到彩电、音响和电子玩具电路等，EDA技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试，而且也在Pcb印制板的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、朋比的制作过程等有重要作用。可以说电子EDA术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持。 5、EDA技术发展趋势: EDA技术在进入21世纪后，由于更大规模的FPGA和凹m器件的不断推出，在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断更新、增加，使电子

14、EDA技术得到了更大的发展。电子技术全方位纳入EDA领域，EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容，突出表现在以下几个方面：使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能；基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块；软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；SoC高效低成本设计技术的成熟。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的设计方法和设计手段都发生了很大的变化。可以说电子EDA技术是电子设计领域的一场革命。传统的“固定功能集成块十连线”的设计方法正逐步地退出历史舞台，而基于芯片的设计方法正成

15、为现代电子系统设计的主流。作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和攀握这一先进技术是势在必行，这不仅是提高设计效率的需要，更是时代发展的需求，只有攀握了EDA技术才有能力参与世界电子工业市场的竞争，才能生存与发展。随着科技的进步，电子产品的更新日新月异，EDA技术作为电子产品开发研制的源动力，已成为现代电子设计的核心。所以发展EDA技术将是电子设计领域和电子产业界的一场重大的技术革命，同时也对电类课程的教学和科研提出了更深更高的要求。特别是EDA技术在我国尚未普及，掌握和普及这一全新的技术，将对我国电子技术的发展具有深远的意义。在现在和未来，EDA技术主要应用于下面几个方面：1高校电

16、子类专业的实践教学中，如实验教学、课程设计、毕业设计、设计竞赛等均可借助凹ID5PGA器件，既使实验设备或设计出的电子系统具有高可靠性，又经济、快速、容易实现、修改便利，同时可大大提高学生的实践动手能力、创新能力和计算机应用能力。2科研和新产品开发中，0)U)5PGA可直接应用于小批量产品的芯片或作为大批量产品的芯片前期开发。传统机电产品的升级换代和技术改造，0)U)5PGA的应用可提高传统产品的性能，缩小体积，提高技术含量和产品的附加值。二、 技术的应用举例（TDA1514功放电路在中的设计）、功放芯片简述1514是飞利浦公司生产的一款优秀的HIFI集成电路。 TDA1514A的工作电压为9

17、V30V,在电压为25V、RL=8时，输出功率达到50 W，总谐波失真为0.08% 。电路有静音保护，过热保护，低失调电压高波纹抑制 等功能。而且热阻极低，高频解析力强，低频有力度，音色通透纯正，低频丰满，高频透亮 。、电路原理图及各元器件作用原理图设计是整个Protel工程的开始,是PCB文档设计乃至最后制版的基础。一般设计程序是:首先根据实际电路的复杂程度确定图纸的大小,即建立工作平面;然后从元器件库中取出所需元件放到工作面上,并给它们编号、对其封装进行定义和设定;最后利用Protel DXP提供的工具指令进行布线,将工作平面上的元器件用具有电气意义的导线、符号连接起来,对整个电路进行信号

18、完整性分析,确保整个电路无误。 电路各部分功能1脚正相输入 用做信号输入 ,9脚反响输入 用于负反馈 ,C01 C03 R01(C02 C04 R02)成滤波电路,其中1U 20K两个元件把低频截至频率限制到7HZ ,220P电容可以吸收一部分高频震荡降低烟花率.R03 R05(R04 R06)两个电阻为反馈网络，控制电路放大倍数在30左右 3脚为静音控制，C05 R07(C06 R08)决定开机静音时间。静音时间与这两个元件大小成正比。7脚为自举，更换自举电容C09(C10)的种类可以使音色发生微妙的变化，R09 R11(R10 R12)需要用较大功率电阻。 R13 C07 (R14 C08

19、)为输出茹贝尔网络，电阻应选用大功率电阻 。C11 C13(C12 C14)是退耦电容。C15(C16)也是并联在电源端，吸收线路耦合信号的。这个电容用到10U100U都可以 需要注意的是这个电容的耐压应该是供电电源电压单边的2倍。电路设计的最终目的是生产制作电子产品,各种电子产品的使用功能与物理结构都是通过印制电路板来实现的。印制电路板(PCB)是电子设备中的重要部件之一,其设计和制造是影响电子设备的质量、成本的基本因素之一。因此,印制电路板(PCB)设计质量直接影响着电子产品的性能3、自动布局图及手动调整后布局图自动布局图调整后布局图音响功放类电路设计注意事项：1.增强高频抗干扰能力针对杂

20、散电磁波多数是中高频信号的特点，在放大器输入端对地增设磁片电容，容值可在47220P之间选取，数百皮法容值的电容频率转折点比音频范围高两、三个数量级，对有效听音频段内的声压响应和听感的影响可忽略不计。2.注意电源变压器安装方式用质量较好的电源变压器，尽量拉开变压器与PCB之间的距离，调整变压器与PCB之间的方位，将变压器与放大器敏感端远离。3.地线干扰音频电路地线可简单划分为电源地和信号地，电源地主要是指滤波、退耦电容地线，小信号地是指输入信号、反馈地线。小信号地与电源地不能混合，否则必将引发很强的交流声：强电地由于滤波和退耦电容充放电电流较大（相对信号地电流），在电路板走线上必然存在一定压降

21、，小信号地与该强电地重合，势必会受此波动电压影响，也就是说，小信号的参考点电压不再为零。信号输入端与信号地之间的电压变化等效于在放大器输入端注入信号电压，地电位变化将被放大器拾取并放大，产生交流声。增加地线线宽、背锡处理只能在一定程度上减弱地线干扰，但收效并不明显。有部分未严格将地线分开的PCB由于地线宽、走线很短，同时放大级数很少、退耦电容容量很小，因此交流声尚在勉强可接受范围内，只是特例，没有参考意义。4、pcb板图及附铜板图A面覆铜板B面附铜图PCB设计流程一般PCB基本设计流程如下：前期准备-CB结构设计-CB布局-布线-布线优化和丝印-网络和DRC检查和结构检查-制版。第一：前期准备

22、。这包括准备元件库和原理图。要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。一般常见的元器件可以用peotel自带的元器件库中找到，如果找不到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库，再做SCH的元件库。PCB的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；SCH的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。PS:注意标准库中的隐藏管脚。之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做PCB设计了。第二：PCB结构设计。这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定

23、位，在PCB设计环境下绘制PCB板面，并按定位要求放置所需的接插件。按键/开关。螺丝孔。装配孔等等。并充分考虑和确定布线区域和非布线区域(如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域)。第三：PCB布局。布局说白了就是在板子上放器件。这时如果前面讲到的准备工作都做好的话，就可以在原理图上生成网络表(Design-Create Netlist),之后在PCB图上导入网络表(Design-LoadNets)。就看见器件哗啦啦的全堆上去了，各管脚之间还有飞线提示连接。然后就可以对器件布局了。一般布局按如下原则进行：三.制版工艺流程 1.双面制板工艺流程(简述) 电路设计覆箔板下料表面处理打印电路图热转印补缺

24、腐刻(浸泡在1:4FeCl3溶液中腐刻)去膜涂助焊、防氧化剂 钻孔焊接元件检查调试 检验包装成品。 2.双面制板工艺流程(简述) 双面覆铜板下料裁板数控钻导通孔检验、去毛刺刷洗化学镀(导通孔金属化) (全板电镀薄铜) 检验刷洗网印负性电路图形、固化(干膜或湿膜、曝光、显影) 检验、修板线路图形电镀电镀锡(抗蚀镍/金) 去印料(感光膜) 蚀刻铜(退锡) 清洁刷洗网印阻焊图形常用热固化绿油(贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化,常用感光热固化绿油) 清洗、干燥网印标记字符图形、固化(喷锡或有机保焊膜) 外形加工清洗、干燥电气通断检测检验包装成品。其详细说明这里不再赘述。 3.需要注意的问题 在初次

25、表面处理时,需要用P240-320之间的水沙纸打磨覆铜表面,去除表面的氧化层。并且用5%FeCl3溶液浸泡1分钟,以增强印墨的粘敷力。腐刻溶液的温度最好在25左右。助防氧化剂是把松香按照:10的体积比,放入95%的酒精中浸泡24h以上形成的。钻孔时,按所装元件脚的直径+0.2mm,选择最接近标称值的钻头。4、三维立体图一.原理图设计 原理图设计是整个Protel工程的开始,是PCB文档设计乃至最后制版的基础。一般设计程序是:首先根据实际电路的复杂程度确定图纸的大小,即建立工作平面;然后从元器件库中取出所需元件放到工作面上,并给它们编号、对其封装进行定义和设定;最后利用Protel DXP提供的

26、工具指令进行布线,将工作平面上的元器件用具有电气意义的导线、符号连接起来,对整个电路进行信号完整性分析,确保整个电路无误。 1. 电路板规划 电路板规划的主要目的是确定其工作层结构,包括信号层、内部电源/接地层、机械层等。通过执行菜单命令DesignBoard Layers,在打开的对话框中可以控制各层的显示与否,以及层的颜色等属性设置。如果不是利用PCB向导来创建一个电路板文件的话,就要自己定义PCB的形状和尺寸。绘制时需单击工作窗口底部的层标签,再由PlaceKeepout 命令来单独定义。该操作步骤实际上就是在Keep Out Layer(禁止布线层)上用走线绘制出一个封闭的多边形,而所

27、绘多边形的大小一般都可以看作是实际印制电路板的大小。 2. 元器件的选择 对元器件的选择要严格遵循设计要求。在Protel DXP软件中,常用的分立元件和接插件都在软件分目录Library 下Miscellaneous Device. Intlib和Miscellaneous Connectors. Intlib 两个集成元件库中。其它的元件主要按元器件生产厂商进行分类,提供了型号丰富的集成库。但是有时候出于个人设计的需要,设计者无法在库文件中找到完全匹配的元器件,此时就只有通过制作工具绘制所需元器件。需要注意的是,绘制元件时一般元件均放置在第四象限,象限交点即为元件基准点。 3.元器件的布局

28、 Protel DXP 提供了强大的自动布局功能,在预放置元件锁定的情况下,可用自动布局放置其他元件。执行命令ToolsAuto PlacementAuto Placer,在Auto Place 对话框中选择自动布局器。Protel DXP提供两种自动布局工具:Cluster Placer 自动布局器使用元件簇算法,将元件依据连接分为簇,考虑元件的几何形状,用几何学方法布放簇,这种算法适用于少于100 个元件的情况;Global Placer 自动元件布局器使用基于人工智能的模拟退火算法,分析整个设计图形,考虑线长、连线密度等,采用统计算法,适用于更多元件数量的板图。自动布局较方便,但产生的板

29、并不是最佳方案,仍需要手工调整。 3.元器件的连线 连线很讲究原则和技巧,走线应尽量美观、简洁。一些设计人员在初期使用Protel DXP进行设计时,只在表象上将元件连起,而出现“虚点”。导致在生成网络报表时出错。好的设计习惯是打开电气网络,使连线可以轻松连接到一个不在捕获网络上的实体;打开在线DRC,监控布线过程,违反规则的设计被立即显示出来。完成预布线后,为了在自动布线时保持不变,需要对预布线锁定。打开菜单EditFind Similar Objects,选择要锁定的对象。自动布线与交互式布线相结合可以很好地提高布线成功率和效率。自动布线的结果为手工调整提供参考。 结束语 作为一名电子硬件工程师、大专院校电子类专业的在校学生