FPGA電子電路設(shè)計圖集錦TOP12 —電路圖天天讀（105）

　　現(xiàn)場可編程門陣列即FPGA，是從EPLD、PAL、GAL等這些可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展起來的。作為專業(yè)集成電路領(lǐng)域中的半定制電路而出現(xiàn)的FPGA，不但解決了定制電路的不足，而且克服了原有可編程器件因門電路數(shù)有限的而產(chǎn)生的缺點。FPGA 的使用十分的靈活，同一片F(xiàn)PGA 只要使用不同的程序就能夠達到不同的電路功能?，F(xiàn)在FPGA 在通信、儀器、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、軍事和航空航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著成本和功耗的進一步降低，將在更多的領(lǐng)域運用FPGA。

　　TOP1 解讀FPGA程控濾波器系統(tǒng)電路

　　濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，可用于對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除。它在電子領(lǐng)域中占有很重要的地位，在信號處理、抗干擾處理、電力系統(tǒng)、抗混疊處理中都得到了廣泛的應(yīng)用。而對于程控濾波器，該系統(tǒng)的最大特點在于其濾波模式可以程控選擇，且-3 dB 截止頻率程控可調(diào)，相當(dāng)于一個集多功能于一體的濾波器，將有更好的應(yīng)用前景。此外，系統(tǒng)具有幅頻特性測試的功能，并通過示波器顯示頻譜特性，可直觀地反應(yīng)濾波效果。

　　放大模塊

　　放大模塊的具體電路如圖2 所示。第一部分是一個分壓網(wǎng)絡(luò)，其中前4 個電阻將輸入信號衰減100 倍，并與信號源內(nèi)阻共同構(gòu)成51Ω阻抗，后面的51Ω為匹配電阻。第二部分采用OPA690 將小信號放大2 倍，同時起到阻抗變換和隔離的作用。由于AD603 輸入阻抗為100Ω，所以在后面串接一個100 Ω的電阻進行匹配。第三部分即為AD603 可變增益放大，它的增益隨著控制電壓的增大以dB為單位線性增長。1 腳的參考電壓通過單片機進行運算并控制DAC 芯片輸出電壓來得到，從而實現(xiàn)精確的數(shù)控。增益G（dB）=40VG+G0，其中VG 為差分輸入電壓，范圍-500～500mV；G0 是增益起點， 接不同反饋網(wǎng)絡(luò)時也不同。在5、7 腳間接一個5kΩ的電位器，從而改變。

　　高通濾波模塊

　　LTC1068 是低噪聲高精度通用濾波器，當(dāng)其用于高通濾波時，截止頻率范圍1Hz～50 kHz，并且直至截止頻率的200 倍都無混疊現(xiàn)象。由于LTC1068 的4 個通道都是低噪聲、高精度、高性能的2 階濾波器，因此每個通道只要外接若干電阻就可以實現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻濾波器的功能。具體電路如圖3 所示。其中B 端口Q 值0．57，A 端口Q 值約為1。在電路的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，A 口的Q值需比B 口Q 值大，否則信號在截止頻率處幅值會有上翹。

　　LTC1068 的時鐘頻率與通帶之比為200：1，由于LTC1068 內(nèi)部對時鐘信號CLK二倍頻，所以當(dāng)截止頻率最小為1 kHz 時，內(nèi)部時鐘頻率其實為400kHz，故在LTC1068 后面再加一個截止頻率為450kHz 的低通濾波器以濾除分頻帶來的噪聲及高次諧波。

　　低通濾波模塊

　　用MAX297 實現(xiàn)低通濾波器。開關(guān)電容濾波器MAX297 可以設(shè)置為8 階低通橢圓濾波器，阻帶衰減為-80dB，時鐘頻率與通帶頻率之比為50：1。通過改變CLK的頻率，即可滿足濾波器-3 dB 截止頻率在1～20kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，步進1 kHz的要求。

　　在使用MAX297 時要注意的是，當(dāng)信號頻率和采樣辨率同頻，開關(guān)電容組在電容上各次采到相同的幅度為信號幅值的信號，相當(dāng)于輸入信號為直流的情況，使濾波器輸出一個直流電平。同理，當(dāng)信號頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時，也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。為此，在其前面，要增加模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號有效地排除。故又用一級MAX297，截止頻率設(shè)置為50kHz。其中時鐘頻率設(shè)置為2．5 MHz。在其后面，也要增加低通濾波器，其截止頻率為150kHz，以濾去信號的高頻分量，使波形更加平滑。具體電路如圖4 所示。

　　四階橢圓低通模塊

　　系統(tǒng)要求制作一個四階橢圓型低通濾波器，帶內(nèi)起伏≤1 dB，-3 dB 通帶為50kHz，采用無源LC 橢圓低通濾波器來實現(xiàn)。用Filter Sol uTIon 模擬仿真濾波器，隨后在MulTIsim 中再模擬仿真并調(diào)整電容、電感的參數(shù)使其為標(biāo)稱值。此外，在橢圓濾波器前后接射級跟隨器避免前后級影岣。具體電路如圖5 所示。

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　　FPGA資料集錦——那些年，我們?yōu)橹d狂的FPGA設(shè)計

　　TOP2 FPGA電源定序電路原理分析

　　系統(tǒng)設(shè)計師必須考慮加電和斷電期間芯核電源和I/O 源之間的定時差和電壓差（換言之，就是電源定序）問題。當(dāng)電源定序不當(dāng)時，就有可能發(fā)生閉鎖失靈或電流消耗過大的現(xiàn)象。如果兩個電源加到芯核接口和I/O 接口上的電位不同時，就會出現(xiàn)觸發(fā)閉鎖。定序要求不相同的FPGA 和其他元件會使電源系統(tǒng)設(shè)計更加復(fù)雜化。為了排除定序問題，你應(yīng)當(dāng)在加電和斷電期間使芯核電源和I/O 電源之間的電壓差最小。圖1 所示的電源將3.3V 輸入電壓調(diào)節(jié)到1.8V 芯核電壓，并在加電和斷電期間跟蹤3.3V I/O 電壓，以使兩電源線之間的電壓差最小。

　　圖1 這種電源定序電路可消除閉鎖問題，并可減少FPGA 起動瞬態(tài)電流。

　　電路原理：圖 1 所示電源包含IC1 和IC2 兩塊IC，它們分別是TPS2034 電源開關(guān)和TPS54680降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。IC1 產(chǎn)生IC2 在起動期間跟蹤的慢斜坡電壓。6ms 的斜坡時間可使加到電源開關(guān)大電容和電源輸出端的涌入電流降到最小值。慢斜坡電壓能使FPGA 吸收的瞬態(tài)電流最小。電源開關(guān)TPS2034 確保在IC2 具有足夠大的偏置電壓運作并產(chǎn)生芯核電壓之前，I/O 電壓不會加到負載上。假如J1 的輸入電壓為3.3V，則J2 連接器上的電壓浮動就會使IC1 起動。I/O 電源電壓J3 就慢慢上升，直到達到3.3V 為止。由于I/O 電壓上升，芯核的電源電壓相應(yīng)升高，直到1.8V 為止（圖2）。TPS54680 的TRACKIN 引腳內(nèi)包含有一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，以便實現(xiàn)跟蹤功能。P 在加電和斷電期間，當(dāng)TRACKIN 引腳上的電壓低于0.891V 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時，TRACKIN 引腳上的電壓就連接到誤差放大器的非倒相節(jié)點。當(dāng)TRACKIN 引腳電壓低于0.891V 時，該引腳就能有效地起開關(guān)穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)作用。連接TRACKIN 引腳的R3 和R4 電阻分壓器必須等于反饋補償回路中的R1 和R2 分壓器，才能在加電和斷電期間以最小的電壓差進行跟蹤。TPS2034 具有37mΩ的導(dǎo)通電阻，并能提供2A 那么大的輸出電流。

　　揭秘FPGA多重配置硬件電路設(shè)計方案

　　現(xiàn)代硬件設(shè)計規(guī)模逐漸增大，單個程序功能越來越復(fù)雜，當(dāng)把多個功能復(fù)雜的程序集成到一個FPGA 上實現(xiàn)時，由于各個程序的數(shù)據(jù)通路及所占用的資源可能沖突，使得FPGA 控制模塊的結(jié)構(gòu)臃腫，影響了整個系統(tǒng)工作效率。通過FPGA 的多重配置可以有效地精簡控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時可以用邏輯資源較少的FPGA 器件實現(xiàn)需要很大資源才能實現(xiàn)的程序。以Virtex5系列開發(fā)板和配置存儲器SPI FLASH 為基礎(chǔ)，從硬件電路和軟件設(shè)計兩個方面對多重配置進行分析，給出了多重配置實現(xiàn)的具體步驟，對實現(xiàn)復(fù)雜硬件設(shè)計工程有一定的參考價值。

　　電路原理：多重配置的硬件主要包括FPGA 板卡和貯存配置文件的FLASH 芯片。FPGA 選用XILINX 公司Virtex-5系列中的ML507，該產(chǎn)品針對FPGA 多重配置增加了專用的內(nèi)部加載邏輯。FLASH 芯片選用XILINX 公司的SPI FLASH芯片M25P32，該芯片存貯空間為32 Mb，存貯文件的數(shù)量與文件大小以及所使用的FPGA 芯片有關(guān)。實現(xiàn)多重配置首先要將FPGA 和外部配置存儲器連接為從SPI FLASH 加載配置文件的模式。配置電路硬件連接框圖如圖1所示。在FPGA 配置模式中，M2，M1，M0為0，0，1，這種配置模式對應(yīng)邊界掃描加上拉，F(xiàn)PGA 在這種模式下所有的I/O 只在配置期間有效。在配置完成后，不用的I/O 將被浮空M2，M1，M0 三個選擇開關(guān)對應(yīng)于ML507 開發(fā)板上的SW3開關(guān)中的4，5，6位，在FPGA 上電之前將上述開關(guān)撥為0，0，1狀態(tài)。

　　FPGA 工作原理

　　一個典型的FPGA 是有幾個部分構(gòu)成的，首先是邏輯塊（LogicBlock），Altera 公司將其稱之為邏輯陣列快（LAB）Xilinx 公司將其稱為可配置邏輯塊（CLB）。LAB 由稱之為LE（Logic Element）的基本單元構(gòu)成，CLB 由稱之為LC（Logic Cell）的基本單元構(gòu)成。這些就是FPGA 的邏輯資源，還有一部分是散落在各個邏輯塊之間地內(nèi)部連線，它們好比是PCB 板上的導(dǎo)線，將FPGA 內(nèi)部地各個邏輯相連接，起點和終點都是IOB（I/O Block）。另一部分就是IOB 了，IOB 是FPGA的外部物理接口，類似IC 的各引腳，當(dāng)然這里是根據(jù)用戶需要自己可以任意定義的。如今的FPGA 的IOB 已經(jīng)很強大， 從基本的LVTTL/LVCOMS 接口到PCI/LVDS/RSDS 甚至各種各樣的差分接口，F(xiàn)PGA內(nèi)部的I/O 實際上是分組的，但是每一組都可以靈活配置，改變上拉下拉電阻，調(diào)解驅(qū)動電流大小，兼容5V，3.3V，2.5V，1.8V 甚至1.5V，可以滿足不同的電器特性，不同的I/O 接口物理特性以及外部硬件電路對輸入輸出信號的各種匹配要求。目前I/O 可以達到的頻率也愈來愈高，通過特定的技術(shù)數(shù)據(jù)讀取速率甚至可以達到2Gbps 現(xiàn)在越來越多的工程師喜歡FPGA，強大的I/O 特性也是一種原因吧。

　　圖2-1 典型的FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　TOP3 FPGA數(shù)字核脈沖分析器硬件電路

　　I/O 兼容恐怕是大勢所趨。設(shè)計IOB 的概念和技術(shù)還有很多，這里不做介紹了。還有一部分就是FPGA 內(nèi)部的功能模塊，是制造商根據(jù)實際需要放置在FPGA 內(nèi)部的。比如數(shù)字時鐘管理模塊即DCM，Xilinx 公司的FPGA 全都具有這種功能。比如相位環(huán)路鎖定。PLL 需要一個外部時鐘輸入（晶振），經(jīng)過內(nèi)部處理后（包括分頻和倍頻）可以提供在頻率和相位上都比較穩(wěn)定的一定范圍內(nèi)的時鐘。還有不得不提的內(nèi)部不占用邏輯資源的塊RAM。RAM 塊可用作為單口RAM、雙口RAM、內(nèi)容地址存儲器以及FIFO（first in first out）等常用存儲器甚至ROM，移位寄存器。這對于小量數(shù)據(jù)緩存很有用，強化了FPGA的應(yīng)用性。在選擇FPGA 時，芯片內(nèi)部塊RAM 的資源多少也是衡量的一個重要因素。單獨塊RAM 的容量為18kbit 寬為18Bit、深度為1024，可以根據(jù)實際需要改變其位寬和深度，但有兩點限制：首先就是修改后塊RAM 的容量（位寬深度）不能大于單片塊RAM 容量；而且位寬最大不能超過36Bit，可以將多片塊RAM 聯(lián)起來形成內(nèi)存更大的RAM，此時只受限于芯片內(nèi)塊RAM 的數(shù)量，而不再受上面兩條原則約束。不過在Quartus 中，具體操作起來很方便。還有底層內(nèi)嵌功能單元包括內(nèi)嵌專用硬核如乘法器等。它對于數(shù)字信號的運算處理提供極大的便利。

　　SPI 接口控制電路

　　圖4-1 SPI模式連接圖

　　該工程模塊的SPI 接口四條信號線分別定spi_cs_n，spi_clk，spi_miso 和spi_mosi。其中spi_cs_n 是數(shù)據(jù)控制使能信號，當(dāng)要對芯片進行操作時，此信號低電平有效。也就是說在同一條主線上可以連接多個SPI。spi_clk是SPI 同步時鐘信號，數(shù)據(jù)信號在該時鐘的控制下進行逐位傳輸。spi_miso 和spi_mosi 是主從機進行通信的數(shù)據(jù)信號，spi_miso即主機的輸入或者說是從機的輸出spi_mosi 即主機的輸出或者說是從機的輸入。

　　VGA 顯示驅(qū)動模塊

　　標(biāo)準(zhǔn)VGA 一共有15 針，真正用到的接口不多，只有5 個，場同步信號和列同步信號是為了讓VGA 接收部分知道過來的數(shù)據(jù)是對應(yīng)哪一行哪那一列。還有三原色信號，本課題硬件三原色信號通過連接不同的電阻后直接與I/O 接口相連（可理解為簡易的DA 轉(zhuǎn)換），這樣就可以顯示256 色了。內(nèi)部VGA 與FPGA 接口如圖7-1 所示。

　　圖7-1 VGA 內(nèi)部簡化DA

　　FPGA 器件應(yīng)用是繼單片機之后，當(dāng)今地嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用中最最熱門的關(guān)鍵技術(shù)之一，并且隨著制造工藝水平的不斷提高，成本的不斷下降，F(xiàn)PGA 甚至大有替代專用ASIC 的趨勢。FPGA 使用Verilog 或VHDL 等硬件描述語言編程。系統(tǒng)工程所有功能全部使用FPGA 來完成，內(nèi)容包括SD 卡的讀取控制，圖片解碼，VGA 驅(qū)動顯示等等，采用的是SF—EP1開發(fā)板，該板FPGA 使用EP1C3T144C8，配置PLL 電源電路，SD 接口，1 個256 色的VGA 通用接口，SDRAM 等。支持AS 及JTAG 配置方式，軟件平臺使用Quartus Ⅱ 9.1，從而完成10 幅800*600 的BMP 圖片循環(huán)顯示。

　　FPGA數(shù)字核脈沖分析器硬件電路

　　多道脈沖幅度分析儀和射線能譜儀是核監(jiān)測與和技術(shù)應(yīng)用中常用的儀器。20世紀(jì)90年代國外就已經(jīng)推出了基于高速核脈沖波形采樣和數(shù)字濾波成型技術(shù)的新型多道能譜儀，使數(shù)字化成為脈沖能譜儀發(fā)展的重要方向。國內(nèi)譜儀技術(shù)多年來一直停留在模擬技術(shù)水平上，數(shù)字化能譜測量技術(shù)仍處于方法研究階段。為了滿足不斷增長的高性能能譜儀需求，迫切需要研制一種數(shù)字化γ能譜儀。通過核脈沖分析儀顯示在顯示器上的核能譜幫助人們了解核物質(zhì)的放射性的程度。

　　圖1即為總體設(shè)計框圖，探測器輸出的核脈沖信號經(jīng)前端電路簡單調(diào)理后，經(jīng)單端轉(zhuǎn)差分，由采樣率為65 MHz 的高速ADC 在FPGA 的控制下進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，完成核脈沖的數(shù)字化，并通過數(shù)字核脈沖處理算法在FPGA 內(nèi)形成核能譜，核能譜數(shù)據(jù)可通過16 位并行接口傳輸至其他譜數(shù)據(jù)處理終端， 也可通過LVDS/RS 485接口實現(xiàn)遠程傳輸。特別需要注意的是，由于高速AD 前置，調(diào)理電路應(yīng)該滿足寬帶、高速，且電路參數(shù)能夠動態(tài)調(diào)整的需要，以適應(yīng)不同類型探測器輸出的信號，從而更好地發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢。

　　前端電路

　　前端電路由單端轉(zhuǎn)差分和高速ADC 電路組成。差分電路由于其良好的抗共模干擾能力而應(yīng)用廣泛。由于調(diào)理電路輸出的脈沖信號為單極性信號，若直接送入ADC，將損失一半的動態(tài)范圍。設(shè)計中在運放中加入一個適當(dāng)?shù)钠秒妷?，將單極性信號轉(zhuǎn)換成雙極性信號后再送入ADC，以保證動態(tài)范圍。將信號由單端轉(zhuǎn)換成差分的同時，進行抗混疊濾波處理，完成帶寬的調(diào)整。

　　本設(shè)計使用AD9649 - 65 高速ADC 實現(xiàn)核脈沖的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，AD9649為14 位并行輸出的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有功耗低、尺寸小、動態(tài)特性好等優(yōu)點。當(dāng)信號從探測器通過調(diào)理電路，過差分轉(zhuǎn)單端電路后，以差分信號的形式進入ADC， 在差分時鐘的控制下，轉(zhuǎn)換成14 位數(shù)據(jù)，進入FPGA.該高速A/D 在外部FPGA 的控制下對信號進行采樣。然后將采樣后的數(shù)字信號送入FPGA 中實現(xiàn)數(shù)字核脈沖的幅度提取。圖2 為A/D 轉(zhuǎn)換的原理圖，AD9649在差分時鐘的同步下完成A/D 轉(zhuǎn)換，D0~D13為14個有效輸出數(shù)據(jù)位。

　　TOP4 揭秘FPGA電機測速系統(tǒng)經(jīng)典電路

　　目前國內(nèi)外多道脈沖幅度分析的數(shù)字化實現(xiàn)主要有2種方案：純DSP 方案、DSP+可編程器件方案。本文將充分發(fā)揮FPGA 的并行處理優(yōu)勢，在單片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)核脈沖的采集與數(shù)字核脈沖處理算法，經(jīng)Quar-tus-Ⅱ軟件仿真與綜合，本文選用EP3C40 FPGA 芯片實現(xiàn)多道分析器的數(shù)字化功能。

　　接口電路設(shè)計采用了LVDS 和RS485兩種長距離數(shù)據(jù)傳輸接口，用于實現(xiàn)核能譜數(shù)據(jù)的遠程傳輸。LVDS 即低電壓差分信號，是一種可以實現(xiàn)點對點或一點對多點的連接，具有低功耗，低誤碼率，低串?dāng)_，低噪聲和低輻射等特點。LVDS 在對信號完整性、地抖動及共模特性要求較高的系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。圖3為低電壓、最高數(shù)據(jù)傳輸速率為655 Mb/s 的LVDS 接口電路。

　　揭秘FPGA電機測速系統(tǒng)經(jīng)典電路

　　外圍電路設(shè)計

　　傳感器將電機轉(zhuǎn)速的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號送入FPGA 模塊。同時由基準(zhǔn)時鐘電路產(chǎn)生準(zhǔn)確的時鐘信號和復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號送入FPGA 模塊。再由FPGA 模塊產(chǎn)生分頻電路、十進制計數(shù)器電路、數(shù)據(jù)處理電路和顯示譯碼電路。由分頻電路將送入的基準(zhǔn)時鐘信號進行分頻，得到一個閘門信號，作為十進制計數(shù)器的使能信號。數(shù)據(jù)處理電路的作用是將十進制計數(shù)器得到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理后，再送入顯示譯碼電路進行轉(zhuǎn)換譯碼。電機測速系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。外圍電路分為：基準(zhǔn)時基電路，復(fù)位電路，傳感器測量電路和顯示電路。

　　圖2 有源晶振電路圖

　　復(fù)位按鍵的設(shè)計

　　按鍵作為嵌入式智能控制系統(tǒng)中人機交互的常用接口，我們通常會通過按鍵向系統(tǒng)輸入各種信息，調(diào)整各種參數(shù)或者發(fā)出控制指令，按鍵的處理是一個很重要的功能模塊，它關(guān)系到整個系統(tǒng)的交互性能，同時也影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本次設(shè)計中，通過按鍵實現(xiàn)了FPGA模塊的手動復(fù)位。復(fù)位按鍵如圖3所示。

　　圖3 復(fù)位按鍵電路圖

　　顯示電路的設(shè)計

　　在本次設(shè)計中我們用到的顯示電路如圖4 所示。

　　由數(shù)碼管顯示電路可以知道，這是共陽極數(shù)碼管。當(dāng)在位選端SE1～SE4輸入低電平時，三極管導(dǎo)通，從而D1～D4接入高電平。由a 到DP 端輸入數(shù)碼管顯示碼，就可以得到我們所需要的數(shù)字，由位選端讓數(shù)碼管選擇導(dǎo)通。

　　本次設(shè)計是基于FPGA 的電機測速系統(tǒng)設(shè)計，利用的是Altera 公司開發(fā)的Quartus II 軟件作為設(shè)計平臺，可以在FPGA 開發(fā)板上實現(xiàn)測量由傳感器轉(zhuǎn)換得到的脈沖信號，并且通過計算得到電機轉(zhuǎn)速值。在本次設(shè)計中，還可以進行一些擴展，可以添加報警電路，設(shè)定一個報警值，當(dāng)測量的轉(zhuǎn)速值大于這個報警值時，就可以讓蜂鳴器報警或數(shù)碼管點亮。

　　TOP5 FPGA數(shù)字變換器控制電路設(shè)計攻略。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　系統(tǒng)設(shè)計時，采用模塊化設(shè)計的思想，按照技術(shù)指標(biāo)設(shè)計各個功能模塊，通過各模塊之間的協(xié)調(diào)配合完成系統(tǒng)的測試任務(wù)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由計算機、USB 芯片F(xiàn)T245、兩片F(xiàn)PGA、輸出電源電壓控制模塊、計算機字信號發(fā)送模塊、勤務(wù)信號發(fā)送模塊、計算機字數(shù)碼與指令數(shù)碼接收模塊和指令信號發(fā)送模塊組成。模塊化設(shè)計能夠使在進行系統(tǒng)調(diào)試和硬件編程時，簡單、快速的定位并解決問題。

　　硬件電路選用XILINX 公司的XC3S200-208和XC2S100-208兩片F(xiàn)PGA 作為系統(tǒng)的邏輯控制中心，其中XC3S200-208作為主控芯片，主要實現(xiàn)對上位機的命令接收和判斷，進而產(chǎn)生和發(fā)送計算機字信號，接收計算機字數(shù)碼和指令數(shù)碼并編幀、上傳數(shù)據(jù)至上位機；XC2S100-208作為從控制芯片，完成128路指令信號的發(fā)送；兩片F(xiàn)PGA 之間采用串行通信的方式發(fā)送控制命令來實現(xiàn)通訊。另外，通過上位機軟件可以實現(xiàn)向系統(tǒng)發(fā)送復(fù)位或停止命令，這樣能夠減少硬件的功耗并提高測試系統(tǒng)的工作效率。

　　USB 接口模塊實現(xiàn)

　　USB 具有成本低、通用性好、連接簡單、支持熱拔插等特點，而從系統(tǒng)實際的速率傳輸要求出發(fā)，設(shè)計采用通用USB 接口芯片F(xiàn)T245BM 實現(xiàn)與上位機的通信。FT245BM 主要的功能是在內(nèi)部邏輯的作用下實現(xiàn)數(shù)據(jù)串/并雙向轉(zhuǎn)換，它的最大傳輸速率可以達到M/s.FT245BM 免去了復(fù)雜的固件編程及驅(qū)動程序的編寫，能夠簡化USB 的接口設(shè)計，為系統(tǒng)節(jié)省設(shè)計時間。

　　FT245BM 的8位數(shù)據(jù)線D7~D0、讀信號RD、寫信號WR、發(fā)送使能TXE、接收數(shù)據(jù)完畢信號RXF 與FPGA 連接，來完成兩者的通信。計算機通過應(yīng)用程序、動態(tài)鏈接庫的有效配合將控制命令信號發(fā)送到FT245BM，F(xiàn)PGA 利用與之相連的I/O 口接收下發(fā)的控制命令或是發(fā)送上傳的測試數(shù)據(jù)。

　　輸出電源電壓控制模塊實現(xiàn)

　　由于需要為被測數(shù)字量變換器提供3檔工作電壓25V、28V、31V，在電源模塊輸出端連接三種不同阻值的電阻，就可以實現(xiàn)3種電壓的切換，實現(xiàn)控制的電路如圖3所示。

　　圖中VCON+，VCON-為電源模塊的輸入電壓，R25、R26、R27三組電位器用來調(diào)節(jié)電阻。25VCON、31VCON 分別與FPGA 的I/O 相連，是FPGA 給出的控制信號，電路中三極管的作用是利用其電流放大來增加信號的驅(qū)動能力。通過FPGA 對控制命令的判斷來實現(xiàn)3檔電壓的控制。此外，系統(tǒng)的默認及復(fù)位的輸出電壓為28V。

　　計算機字信號發(fā)送模塊實現(xiàn)

　　由于要求計算機字和移位脈沖的幅值都為8~10V，所以電路中采用運算放大器電路對FPGA 輸出的信號進行放大來獲取所需幅值的信號。計算機字信號發(fā)送電路如圖4所示。

　　為了滿足輸出信號的精度和電流驅(qū)動能力的要求，本模塊中采用AD 公司的運放AD811來設(shè)計電路。此運算放大器是高速運放，采用雙電源供電，2500V/us 是其最高轉(zhuǎn)換速率，具有較低的電流、電亞噪聲。設(shè)計中采用同相放大電壓串聯(lián)型負反饋電路，輸出電壓穩(wěn)定并且反饋效果好。電路中R83的接地是為了盡量減小由于偏置電流引起的電壓失調(diào)，其阻值等于R22和R60的并聯(lián)阻值，為R22//R60=666Ω。

　　TOP6 勤務(wù)信號發(fā)送模塊實現(xiàn)

　　計算機字信號和指令信號都有相應(yīng)的勤務(wù)信號來滿足時序要求，一般勤務(wù)信號就是指幀、碼同步信號，對其他信號的產(chǎn)生和接收起到時序基準(zhǔn)同步的作用。指令勤務(wù)信號的電路原理如圖5所示。計算機字勤務(wù)信號與其原理相同。根據(jù)系統(tǒng)的信號輸出要求，即幀、碼同步信號的幅值和電流驅(qū)動能力的要求，采用非門芯片 SN5405J 作為驅(qū)動電路來滿足設(shè)計要求。

　　數(shù)碼接收模塊實現(xiàn)測試系統(tǒng)需要接收經(jīng)變換器處理之后的信號，變換器以數(shù)碼方式回傳給測試系統(tǒng)，包括計算機數(shù)碼和指令數(shù)碼，兩者的接收原理相同。設(shè)計采用光耦隔離的方式對數(shù)碼信號進行接收，其電路原理圖如圖6所示。

　　光電耦合器采用TI 公司的HCPL-2631，它具有電絕緣能力和抗干擾能力，并且能有效的抑制各種噪聲和尖峰脈沖干擾。它的兩個輸入端分別接收計算機字數(shù)碼和指令數(shù)碼，其中在光耦輸入端連接的二極管作用是用來防止信號反跳造成內(nèi)部二極管燒壞。

　　指令信號發(fā)送模塊實現(xiàn)

　　指令信號是指一種斷開或閉合的開關(guān)量信號。此模塊的128路指令信號全部采用光耦繼電器來實現(xiàn)，依據(jù)參數(shù)要求選擇AQY210作為控制開關(guān)的器件，它的特點是耐高壓，反應(yīng)速度快，使用時間長。其單路指令信號發(fā)送電路原理如圖7所示。

　　由由于指令信號的路數(shù)比較多，如果FPGA 的I/O 口輸出直接驅(qū)動AQY210，勢必會增加FPGA 的功耗。因此采用三極管對FPGA 的輸出信號進行電流放大來提高控制信號的驅(qū)動能力。本設(shè)計采用NPN 型三極管3DK103，圖中3order1是FPGA 的輸出信號，其為‘0’時，三極管截止；其為‘1’時，三極管處于電流放大，流經(jīng)光繼電器發(fā)光管的電流13mA 足以使AQY210導(dǎo)通。

　　設(shè)計方案

　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計總體框圖。該系統(tǒng)采用C8051系列單片機中的 C8051F121作為控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8型FPGA為數(shù)字信號算法處理單元。系統(tǒng)設(shè)計遵循抽樣定理，在時域內(nèi)截取一段適當(dāng)長度信號，對其信號抽樣量化，按照具體的步驟求取信號的頻譜，并在LCD上顯示信號的頻譜，同時提供友好的人機會話功能。該系統(tǒng)最小分辨率為1 Hz，可分析帶寬為0~5 MHz的各種信號。

　　TOP7 采用FPGA頻譜分析儀系統(tǒng)電路

　　AGC電路

　　輸入信號經(jīng)高速A／D采樣，信號幅度必須滿足A／D的采樣范圍，最高為2-3V，因此該系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)加AGC電路。AGC電路采用AD603型線性增益放大器。圖3為AGC電路。

　　A／D轉(zhuǎn)換電路

　　ADS2806是一款12位A／D轉(zhuǎn)換器，其特點為：無雜散信號動態(tài)范圍（SFDR）為73 dB；信噪比（SNR）為66 dB；具有內(nèi)部和外部參考時鐘；采樣速率為32 MS／s。圖4為ADS2806的電路。為使A／D轉(zhuǎn)換更穩(wěn)定，在A／D轉(zhuǎn)換器的電源引腳上增加濾波電容，抑制電源噪聲。該電路結(jié)構(gòu)簡單，在時鐘CLK的驅(qū)動下，數(shù)據(jù)端口實時輸出數(shù)據(jù)，供FPGA讀取。

　　FPGA及外圍接口模塊

　　選用CycloneⅢ系列 EP3C40F484型FPGA，該器件內(nèi)部有39 600個LE資源，有1 134 000 bit的存儲器，同時還有126個乘法器和4個PLL鎖相環(huán)。由于該器件內(nèi)部有大量資源，因而可滿足其內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)字混頻、數(shù)字濾波、以及FFT運算。FP -GA正常工作時，主要需要的外部接口有：時鐘電路、JTAG下載電路、配置器件及下載電路。圖5為FPGA的外圍接口電路。

　　該系統(tǒng)能夠方便地在LCD上顯示信號的頻譜結(jié)構(gòu)圖。操作簡單，便于學(xué)生進行操作，有助于實驗教學(xué)課上學(xué)生更直觀認識信號頻譜結(jié)構(gòu)，從而促進實驗課教學(xué)。

　　TOP8 FPGA開發(fā)配置模式電路設(shè)計精華集錦

　　FPGA共有四種配置模式：從串模式（Slave Serial），主串模式（Master Serial），從并模式（Slave Parallel/SelectMap）以及邊界掃描模式（Boundary-Scan）。具體的配置模式由模式選擇引腳M2﹑M1﹑M0決定。不同的配置模式所對應(yīng)的M2﹑M1﹑M0，配置時鐘的方向以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)位寬。

　　主串模式——最常用的FPGA配置模式。

　　在主串模式下，由 FPGA 的 CCLK 管腳給 PROM 提供工作時鐘，相應(yīng)的 PROM 在 CCLK 的上升沿將數(shù)據(jù)。從 D0 管腳送到 FPGA 的 DIN 管腳。無論 PROM 芯片類型 （ 即使其支持并行配置 ），都只利用其串行配置功能。

　　主串配置電路最關(guān)鍵的 3 點就是 JTAG 鏈的完整性、電源電壓的設(shè)置以及 CCLK 信號的考慮。

　　多片F(xiàn)PGA通信：

　　SPI串行Flash配置模式：

　　串行 Flash 的特點是占用管腳比較少，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存貯非常合適，一般都是采用串行外設(shè)接口 （SPI 總線接口 ）。

　　FPGA 通過 SCLK 控制雙方通信的時序，在 SS_n 為低時，F(xiàn)PGA 通過 MOSI 信號線將數(shù)據(jù)傳送到 FLASH，在同一個時鐘周期中，F(xiàn)LASH 通過 SOMI 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA 芯片。無論主、從設(shè)備，數(shù)據(jù)都是在時鐘電平跳轉(zhuǎn)時輸出，并在下一個相反的電平跳轉(zhuǎn)沿，送入另外一個芯片。在串行模式下，需要微處理器或微控制器等外部主機通過同步串行接口將配置數(shù)據(jù)串行寫入 FPGA 芯片，其模式選擇信號 M［2:0］=3’b111。

　　TOP9 重串模式的多片F(xiàn)PGA通信

　　DIN 輸入管腳的串行配置數(shù)據(jù)需要在外部時鐘CCLK 信號前有足夠的建立時間。其中單片F(xiàn)PGA 芯片構(gòu)成了完整的JTAG 鏈，僅用來測試芯片狀態(tài)，以及支持 JTAG 在線調(diào)試模式，與從串配置模式?jīng)]有關(guān)系。外部主機通過下拉 PROG_B啟動配置并檢測 INIT_B 電平，當(dāng) INIT_B 為高時，表明 FPGA 做好準(zhǔn)備，開始接收數(shù)據(jù)。此時，主機開始提供數(shù)據(jù)和時鐘信號直到 FPGA 配置完畢且 DONE 管腳為高，或者 INIT_B 變低表明發(fā)生配置錯誤才停止。整個過程需要比配置文件大小更多的時鐘周期，這是由于部分時鐘用于時序建立，特別當(dāng) FPGA 被配置為等待 DCM鎖存其時鐘輸入。

　　以下是重串模式的多片F(xiàn)PGA通信：

　　JTAG配置模式：

　　將模式配置管腳設(shè)置為 JTAG 模式，即 M［2:0］=3’b101時，F(xiàn)PGA 芯片上電后或者 PROG_B 管腳有低脈沖出現(xiàn)后，只能通過 JTAG 模式配置。JTAG 模式不需要額外的掉電非易失存儲器，因此通過其配置的比特文件在 FPGA 斷電后即丟失，每次上電后都需要重新配置。由于JTAG 模式已更改，配置效率高，是項目研發(fā)階段必不可少的配置模式。

　　System ACE配置方案：

　　隨著 FPGA 成為系統(tǒng)級解決方案的核心，大型、復(fù)雜設(shè)備常需要多片大規(guī)模的 FPGA。如果使用 PROM 進行配置，需要很大的 PCB 面積和高昂的成本，因此很多情況下都利用微處理由從模式配置 FPGA 芯片，但該配置方案容易出現(xiàn)總線競爭且延長了系統(tǒng)啟動時間。為了解決大規(guī)模 FPGA 的配置問題，賽靈思公司推出了系統(tǒng)級的 System ACE（Advanced ConfiguraTIon Environment） 解決方案。

　　System ACE 可在一個系統(tǒng)內(nèi)，甚至在多個板上，對賽靈思的所有 FPGA 進行配置，使用 Flash 存儲卡或微硬盤保存配置數(shù)據(jù)，通過 System ACE 控制器把數(shù)據(jù)配置到 FPGA 中。目前，System ACE 有 System ACE CF（Compact Flash）、System ACE SC（Soft Controller） 以 及 System ACE MPM（Muti-Package Module） 三 種。

　　TOP10　FPGA芯片最小系統(tǒng)電路設(shè)計攻略

　　FPGA是英文Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列。FPGA利用它的現(xiàn)場可編程特性，將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品，縮小體積，縮短系統(tǒng)研制周期，方便系統(tǒng)升級，具有容量大、邏輯功能強，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時兼有高速、高可靠性?？梢栽跀?shù)字系統(tǒng)設(shè)計中完全由用戶通過軟件進行配置和編程，從而完成某種特定的功能。要研究的是Altera 公司推出的一款FLEX10K 系列芯片，通過學(xué)習(xí)該芯片的工作原理和使用特性，設(shè)計一個基于FLEX10K 芯片的最小系統(tǒng)，通過對該最小系統(tǒng)的設(shè)計讓大家能夠更好的了解FPGA，并對其產(chǎn)生濃厚的興趣，為更多想要了解學(xué)習(xí)FPGA 的人們做個很好的開頭。

　　復(fù)位和晶振電路原理圖設(shè)計

　　一個芯片，尤其是可編程芯片，通常在上電的瞬間需要一個短暫的時間進行內(nèi)部參數(shù)的初始化，這個時候芯片無法立即進入工作狀態(tài)。通常稱上電初始化這些工作為復(fù)位，完成這個功能的電路稱之為復(fù)位電路。本FPGA 芯片使用的是低電平復(fù)位，支持上電復(fù)位和手動復(fù)位，RESET 按下之后產(chǎn)生低電平。

　　圖4-2 復(fù)位電路原理圖設(shè)計

　　晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件，通常分成有源晶振和無源晶振兩個大類，無源晶振需要芯片內(nèi)部有振蕩器，并且晶振的信號電壓根據(jù)起振電路而定，允許不同的電壓，但無源晶振通常信號質(zhì)量和精度較差，需要精確匹配外圍電路（電感、電容、電阻等），如需更換晶振時要同時更換外圍的電路。有源晶振不需要芯片的內(nèi)部振蕩器，可以提供高精度的頻率基準(zhǔn)，信號質(zhì)量也較無源晶振要好。本FPGA 芯片采用50MHZ 的有源貼片晶振作為芯片工作的時鐘輸入（圖4-3）。

　　圖4-3 晶振電路原理圖設(shè)計

　　蜂鳴器電路原理圖設(shè)計

　　電路很簡單，需要說明的是開發(fā)板上使用的是高品質(zhì)的蜂鳴器，需要脈沖控制其發(fā)聲。電路圖中的晶體管當(dāng)作開關(guān)來使用，當(dāng)I/O 提供的驅(qū)動能力不夠的時候，晶體管能增強驅(qū)動能力。低電平有效（圖4-4）。

　　圖4-4 蜂鳴器電路原理圖設(shè)計

　　開關(guān)電路原理圖設(shè)計

　　最小系統(tǒng)板上使用的四腿按鍵實際上是分兩組，每組中的兩個是相通的，而兩組直接是通過上面的按鈕來控制通斷狀態(tài)的。簡單理解成開關(guān)就可以了，按下去兩端就形成短路，松開手就形成開路。短路相當(dāng)于輸入0，開路為1。另外需要說明的是，由于按鍵屬于機械開關(guān)，按動過程不可避免存在抖動的現(xiàn)象，所以用戶按下按鍵的時間可以稍微長一點（圖4-5）。

　　圖4-5 按鍵開關(guān)電路原理圖設(shè)計

　　TOP11 八位撥碼開關(guān)電路原理圖

　　撥碼開關(guān)就是相當(dāng)與一個開關(guān)量，撥到ON 就表示接通，OFF 就是斷開，在數(shù)字電路中對 0、1，通常用于二進制輸入。本課題最小系統(tǒng)板使用八位撥碼開關(guān)作為一個字節(jié)的輸入，撥到ON 時相當(dāng)于輸入“1”，默認輸入“0”（圖4-6）。

　　圖4-6 八位撥碼開關(guān)電路原理圖設(shè)計

　　JTAG 模式配置電路原理圖設(shè)計

　　最小系統(tǒng)采用的FPGA 是Altera 公司的FLEX10K10 芯片，所以配置的PROM 選用的型號為EPC2LC20N，是20 腳的PLCC 封裝，上拉電阻R4 是1K，其余的上拉電阻均是5K，TDI、TCK、TMS 和TDO 分別于JTAG 標(biāo)準(zhǔn)接口相連，完成配置電路的設(shè)計（圖4-13）。

　　圖4-13 JTAG 模式配置電路原理圖設(shè)計

　　D 型并口下載線電路原理圖設(shè)計

　　此下載線是由一個D 型25 針的并口與計算機相連接，10 針的一端與電路板相連接，數(shù)據(jù)的下載通過計算機直接配置，此下載線可以支持2.5V、3.3V 及5.0V 電壓的下載模式，是一種可以通用型的下載線（圖4-15）。

　　圖4-15 D 型并口下載線電路原理圖設(shè)計

　　最小系統(tǒng)電路設(shè)計的總體電路原理圖

　　使用Altium 軟件設(shè)計的電路原理圖，F(xiàn)PGA 最小系統(tǒng)板包括時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、JATG 電路、PROM 配置電路、顯示模塊電路、開關(guān)電路以及各種接口電路（圖4-16）。

　　圖4-16 最小系統(tǒng)電路設(shè)計的總體電路原理圖

　　在當(dāng)前國內(nèi)外信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，電子系統(tǒng)數(shù)字化已成為有目共睹的趨勢。從傳統(tǒng)的應(yīng)用中小規(guī)模芯片構(gòu)成電路系統(tǒng)到廣泛地應(yīng)用單片機，直至FPGA 在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。電子設(shè)計技術(shù)已邁人了一個全新的階段。FPGA 利用它的現(xiàn)場可編程特性，將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品，縮小體積，縮短系統(tǒng)研制周期，方便系統(tǒng)升級，具有容量大、邏輯功能強，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且兼有高速、高可靠性。越來越多的電子設(shè)計人員使用芯片進行電子系統(tǒng)的設(shè)計，通過基于FPGA 最小系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，說明了FAPG 芯片研究的動機和研究意義。

　　TOP12 基于FPGA水磁無刷直流電機控制電路

　　主要介紹基于現(xiàn)場可編程門陣列及EDA方法學(xué)的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的電子電路設(shè)計。FPGA是一種高密度可編程邏輯器件，其邏輯功能的實現(xiàn)是通過把設(shè)計生成的數(shù)據(jù)文件配置進芯片內(nèi)部的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)存儲器來完成的，具有可重復(fù)編程性，可以靈活實現(xiàn)各種邏輯功能。

　　與ASIC不同的是，PCA本身只是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列，沒有一般IC所具有的功能，但用戶可以根據(jù)需要，通過專門的布局布線工具對其內(nèi)部進行重新編程，在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己專用的集成電路，從而大大提高了產(chǎn)品的競爭力。由于它以純硬件的方式進行并行處理，而且不占用CPU資源，所以可以使系統(tǒng)達到很高的性能。這種新的設(shè)計方法可以把A／D接口、驅(qū)動器接口、通信接口集成在一塊芯片上，同時在算法上完成位置、速度甚至電流算法，從而實現(xiàn)真正的片上可編程系統(tǒng)（SoPC）。這將成為下一代高性能伺服控制器集成化設(shè)計的一個趨勢。

　　下面針對永磁無刷直流電機模塊化設(shè)計的思想，介紹基于FPGA的控制系統(tǒng)的電子電路設(shè)計方法，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　電路由電源模塊，電壓轉(zhuǎn)化模塊，F(xiàn)PCA模塊，驅(qū)動電路模塊，斬波電流、電壓檢測模塊，繞組電流檢測模塊，A／D模塊，通信模塊，外擴存儲器模塊等部分組成。

　　圖2 斬波器電感電流檢測電路

　　永磁無刷直流電機電樞電流檢測信號調(diào)理電路和DC／DC BUCk變換器輸出電壓檢測信號調(diào)理電路參見圖3－16c和d，其功率電路如圖3所示。

　　首先，由FPGA產(chǎn)生5路PWM波，其中3路用于永磁無刷直流電機換相，1路用于斬波，另1路用于再生能耗調(diào)節(jié)制動電流。三相換相PWM經(jīng)驅(qū)動電路控制電機的換相，這3路PWM只用于換相不進行調(diào)制，由斬波環(huán)節(jié)進行調(diào)制。電機繞組電流經(jīng)求偏、放大、濾波通過A／D（ADS7864）轉(zhuǎn)換進人 FPGA（XC3S200），經(jīng)PID調(diào)節(jié)器控制電流環(huán)；同樣，斬波電壓電流經(jīng)濾波通過A／D轉(zhuǎn)換也進人FPGA。圖2所示為FPCA的最小系統(tǒng)電路，XCF02S為FPGA XC3S200的配置芯片，TPS767D325是電源芯片，將＋5V電源電壓轉(zhuǎn)換為＋2.5V和＋3.3V供給FPGA，電源芯片LM317將＋5V電源電壓轉(zhuǎn)換為＋1.2V供給FPGA；FPGA的時鐘選為50MHz，晶體振蕩器為50MHz有源晶振，輸出的時鐘信號電壓的高電平為＋3.3V。