基于eda的数字电压表的设计毕业设计(论文).doc
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1、毕业设计(论文) 数字电压表毕业设计(论文)专 业:应用电子技术系 部:计算机科学与技术系设计(论文)题目:基于EDA的数字电压表的设计 2012年 6 月 6日 29毕业设计(论文) 数字电压表摘 要在计算机支持的信息技术时代,电子技术日益数字化,数字电路以及其基本单元简单化,应用单元标准化、模块化、通用化的特点,长驱直入地深入到电力、通讯、计算机、家电、机械等行业的应用。数字电压表的设计应包括三个主要部分:作为电压采样端口的模数转换单元、数据处理单元以及电压值显示单元。要求利用ADC0804模数转换器,FPGA作为数据处理的核心器件,用LED数码管进行电压值的显示。其基本原理是采用数字化测
2、量技术,对直流电压进行模数转换,转换成不连续、离散的数字形式并加以显示。关键词 模数转换器 FPGA 数据处理毕业设计(论文) 数字电压表目 录摘 要.绪 论1第一章 系统开发工具简介31. 1 EDA技术简介31. 2 VHDL简介41. 3 CPLD/FPGA的简介61. 4 QUARTUSII71. 5 设计流程9第二章 系统设计与实现102.1 设计任务和要求102. 2 设计原理10 2.2.1 模数转换器工作原理112.2.2 数据处理及显示单元122.3模数转换接口电路的设计132. 4 数据处理模块的设计142.4.1计算法进行数据处理模块的设计142.4.2查表法进行数据处理
3、模块的设计152. 5显示模块的设计17第三章 系统调试与性能分析18 3.1 仿真波形18 3.2 下载及调试19 3.3 性能分析19总结20致谢21参考文献22附录 源程序23绪 论 EDA技术在电子信息,通信,自动,控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。EDA技术是计算机技术与电子设计技术相结合的一门崭新的技术,给电子产品设计与开发带来了革命性的变化。随着EDA技术的发展,硬件电子电路的设计几乎可以依靠计算机完成,大大缩短了硬件电子设计的周期,从而使制造商能迅速开发出品种多、批量小的产品,满足市场的需求。已成为广泛应用于各电子信息领域的前沿技术之一,用它能克服实验室元器件品种、规模、
4、数量不足、仪器陈旧老化、实验电路板形式单调,不利于学生创新设计等缺点,对培养我们的应用能力、综合分析与设计能力和提高综合素质都具有重要的意义。 QUARTUS是ALERT公司最新推出的EDA软件工具,其设计工作完全支持VHDL、VERILOG的设计流程,其内部嵌有VHDL、VERILOG逻辑综合器。第三方的综合工具,如LEONARDO、SPECTRUM、SYNPLIFY PRO、FPGA COMPILER有着更好的综合效果,因此通常建议使用这些工具来完成VHDL/VERILOG源程序的综合。它可直接调用这第三方工具同样还具备仿真的功能,也支持第三方的仿真工具。如MODELISM。VHDL是一种
5、高级描述语言,适用于行为级和RTL级的描述,最适用于描述电路的行为。它是电子设计的主流硬件描述语言,诞生于1982年,VHDL主要用于描述数字的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外,VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。它的程序结构特点是将一项设计实体分成外部和内部两个基本点部分,其中外部为可见部分,即系统的端口,而内部为不可见部分,即设计实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内部开发完成后,其他的设计就可以直接调用这个实体。这种设计实体分成内、外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。 FPGA即现场可编程门阵列,
6、它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的
7、FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(复杂可编程逻辑器件备)。 DVM的高速发展,使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表,数字化是当前计量仪器发展的主要方向之一,而高准度的DC-DVC的出现,又使DVM进入了精密标准测量领域。这个课题的目的和意义在于使自己掌握对数字电压表的理解,自己动手设计数字电压表与仿真,它可以广泛的应用于电压测量外,通过各种变换器还可以测量其他电量和非电量,测量是一种认识过程,就是用实验的方法将被测量和被选用的相同参量进行比较,从而确定它的大小。DVM广泛应用于测量领域每期测量的准确度和可信度取决于它的主要性
8、能和技术指标。所示我们要学习和掌握如何设计DVM就显得十分重要。回顾一下DVM的发展过程,大致可以分为以下三个阶段:1.数字化阶段20世纪50年代到60年代中期,DVM的特点是运用各种原理实现模/数(A/D)转换,即将模拟量转化成数字量,从而实现测量仪表的数字化。1952年,第一台问世的数字电压表是采用电子管的伺服比较式;1956年出现谐波式V/T(电压/时间变换型);1961年出现全晶体管化的逐次逼近比较式;1963年出现电压/频率(V/F)变换型(单积分式);1966年出现双积分式(双斜式)等。这一时期的显示位数是3.5-5.5位。2.高精度阶段 由于精密电测量的需要,DVM开始向高准确、
9、高位数方向发展,出现了所谓复合型原理的仪表。如1971年日本研制的TR-6567(三次采样积分式);1973年英国研制的SM-215(两次采样电感分压比较型);1972年日本研制的TR-6501型DVM已达到了8位数。与此同时对积分方案进行了改进和提高,出现了如Dana公司的6900型(7位)、Solartron公司生产的7075型(8位),其准确度可达到百万分之几。3.智能化阶段 由于电子技术、大规模集成电路(LSI)及计算机技术的发展,是人们不久就研制出微处理器( P)数字电压表,实现了DVM数据处理自动化和可编程序,因为带有存储器并使用软件支持,所以可以进行信息处理,可通过标准接口组成自
10、动测试系统(ATS)例如,Fluke公司的8506型、Solartron公司的7065型和7081型、Datron公司的1071和1281型,以及Fluke公司的最新产品8508A型等。它们除了完成原有DVM的各种功能外,还能够自校、自检,保证了自动测量的高准确度,实现了仪器、仪表的智能化。当前,智能式仪表发展十分迅速,而微处理式DVM在智能仪表中占的比重最大。智能化的DVM为实现各种物理量的动态测量提供了可能。第一章 技术与开发工具1.1EDA 技术简介1.1.1EDA技术概念 现代电子技术设计的核心就是电子设计自动化(Electronic design automation,EDA)技术。
11、利用EDA技术,电子设计师可以方便的实现IC设计、电子电路设计和PCB设计等工作。 狭义的EDA技术,就是一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、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计开发工具的EDA技术。狭义的EDA技术或称为IES/ASIC自动设计技术,通过使用有关的开发软件,自动完成电子系统设计的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合和优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯片。 广义的EDA技术,除了狭义的EDA技术外,还包括计算机辅助分析CAA技
12、术,印制电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如Protel、OrCAD等)。在广义的EDA技术中,CAA技术和PCB-CAD技术不具备逻辑综合和逻辑适配的功能,因此它并不能称为真正意义上的EDA技术。EDA技术的三个层次: (1) EWB、PSpice、Protel的学习作为EDA的最初级内容。 (2) 利用VHDL完成对CPLD/FPGA的开发等作为中级内容。 (3) ASIC的设计作为最高级内容。1.1.2 EDA技术的主要特征 EDA技术主要有以下特征:(1) 高层综合与优化的理论与方法取得了很大的进展,其结果大大缩短了复杂的ASIC的设计周期,同时提高了设计质量。(2) 采用硬件描
13、述语言来描述10万门以上的设计,形成了国际通用的VHDL等硬件描述语言。它们均支持不同层次的描述,使得复杂IC的描述规范化,便于传递、交流、保存与修改,并可建立独立的工艺设计文档,便于设计重用。(3) 开放式的设计环境(各厂家均适合)。(4) “自顶向下”的算法。(5) 丰富的元器件模块库。(6) 具有较好的人机对话界面与标准的CAM接口。(7) 建立并行设计工程框架结构的集成化设计环境,以适应当今ASIC的特点:规模大而复杂,数字与模拟电路并存,硬件与软件并存,产品上市更新快。1.1.3 EDA技术的主要内容(1) 硬件描述语言 HDL是各种描述方法中最能体现EDA优越性的描述方法。所谓眼见
14、描述语言实际上就是一个描述工具,其描述的对象就是待设计电路系统的逻辑功能、实现该功能的算法、选用的电路结构以及其它各种约束条件等。通常要求HDL既能描述系统的行为,又能描述系统的结构。 HDL的使用与普通的高级语言相似,编制的HDL程序也需要首先经过编译器进行语法、语义的检查,并转换为某种中间数据格式。但与其它高级语言相区别的是,用硬件描述语言编制程序的最终目的是要生成实际的硬件,因此HDL中有与硬件实际情况相对应的并行处理语句。此外,用HDL编制程序时,还需注意硬件资源的消耗问题(如门、触发器、连线等的数目),有的HDL程序虽然语法、语义上完全正确,但并不能生成与之相对应的实际硬件,其原因就
15、是要实现这些所描述的逻辑功能,消耗的硬件资源将十分巨大。目前HDL主要有两种:Verilog HDL和VHDL。比较而言,VHDL是一种高级语言适用于电路高级建模,综合的效率和效果较好。VerilogHDL是一种低级的描述语言,适用于描述门级电路,容易控制电路资源,但其对系统的描述能力不如VHDL。(2) 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)是一种由用户编程来实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。它不仅速度快、集成度高,能够完成用户定义的逻辑功能,还可以加密和重新定义编程,其允许编程次数可多达上万次。使用可编程逻辑器件可大大简化硬件系统、降低成
16、本、提高系统的可靠性、灵活性。因此,自20世纪70年代问世以后,PLD就受到广大工程人员的青睐,被广泛应用于工业控制、通信设备、智能仪表、计算机硬件和医疗电子仪器等多个领域。FPGA和CPLD最明显的特点是高集成度、高速度和高可靠性。高速度表现在其时钟延时可小至纳秒级,结合并行工作方式,在超高速应用领域和实时测控方面有着非常广阔的应用前景;其高可靠性和高集成度表现在几乎可将整个系统集成于同一芯片中,实现所谓片上系统(System on a Chip,SoC),指的就是以嵌入式系统为核心,集软、硬件于一体,并追求产品系统最大包容的集成芯片。它是目前嵌入式应用领域的热门话题,SoC大大缩小了系统体
17、积,便于管理和屏蔽。(3) EDA软件(4) EDA软件工具主要有: Altera公司的MAX+plus II和Quartus II、Lattice公司的Expert LEVER和Synario、Xilinx公司的Foundation和Alliance、Actel公司的Actel Designer等。(5) 本次设计使用的是QuartusII软件。1.2 VHDL 简介1.2.1 简介 VHDL主要用于描述数字系统的结构,行为,功能和接口。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计,或称设计实体(可以是一个元件,一个电路模块或一个系统)分成外部(或称可是部分,及端口)和内部(或称不可视部分),既涉
18、及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内部开发完成后,其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用 , 它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。归纳起来,VHDL 语言主要具有以下优点:(1) VHDL 语言功能强大,设计方式多样 VHDL 语言具有强大的语言结构, 只需采用简单明确的VHDL语言程序就可以描述十分复杂的硬件电路。同时,它还具有多层次的电路设计描述功能。此外,VHDL 语言能够同时支持同步电路、异步电路和随机电路的设计实现,这是其
19、他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL 语言设计方法灵活多样 , 既支持自顶向下的设计方式, 也支持自底向上的设计方法; 既支持模块化设计方法, 也支持层次化设计方法。 (2) VHDL语言具有强大的硬件描述能力 VHDL语言具有多层次的电路设计描述功能,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
20、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
21、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。1.2.2 VHDL程序组成部分 全部的VHDL程序由实体(Entity)、构造体(Architecture)、配置(Configuration)、包集合(Package)、库(Library)5个部分组成。各组成部分的作用是:(1) 实体 用于描述所设计的系统的外部接口信号。(2) 构造体 用于描述系统内部的结构和行为。(
22、3) 配置 用于从库中选取不同单元(器件)来组成系统设计的不同版本。(4) 包集合 存放各设计模块都能共享的数据类型、常数和子程序等。(5) 库存放已经编译了的实体、构造体、包集合和配置。库可由系统工程师生成或由ASIC 芯片商提供,以便在设计中共享。1.2.3 VHDL系统优势(1) 与其他的硬件描述语言相比,VHDL具有更强的行为描述能力,从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构,从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。(2) VHDL丰富的仿真语句和库函数,使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性,随时可对设计进行仿真模
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