毕业设计FPGA的低频数字相位设计论文

毕业设计FPGA的低频数字相位设计论文1引言本设计采用单片机和FPGA相结合的电路实现方案。

考虑到FPGA具有集成度高，I/O 资源丰富，稳定可靠，可现场在线编程等优点，而单片机具有很好的人机接口和运算控制功能，所以采用FPGA和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。

自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑阵列(FPGA)至今，FPGA已经成为当今电子设计应用市场上首选的可编程逻辑器件之一。

从航空航天到数字信号处理，再到汽车家电等消费领域，无处不见FPGA的身影。

而且，随着微电子等工艺的进步，FPGA 器件本身的性能逐年在提高，使得FPGA器件与其他同类器件相比更有竞争力。

在这个各类电子设计器件百花齐放的时代，广大消费者需要对这些电子设计器件有个更深入地了解，从而为自己的科研学习或工业生产挑选到既能满足各项性能指标要求，又经济实惠的合适的电子设计器件。

因此，进行FPGA器件的应用研究并进行各类电子设计产品的性能优势对比分析是一项很有价值和实际意义的工作。

随着EDA技术的高速发展，电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化，大规模可编程逻辑器件FPGA的出现，给设计人员带来了诸多方便。

利用它进行产品开发，不仅成本低、周期短、可靠性高，而且可以随时在系统中修改其逻辑功能。

FPGA器件的成本越来越低，Actel公司发布第三代的基于Flash的可编程逻辑方案。

这些新的FPGA 芯片最低价将达到1.5美元，代表了全球最低成本的FPGA，并且相对于基于SRAM的FPGA 来说具有保密的优势。

基于Flash的FPGA可以提供加密、低功耗、上电工作、可重复编程的方案。

目前生产FPGA的公司主要有Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic等，生产的FPGA品种和型号繁多。

尽管这些FPGA的具体结构和性能指标各有特色，但它们都有一个共同之处，即由逻辑功能块排成阵列，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块，从而实现不同的设计。

典型的FPGA通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入/输出块和可编程互连资源。

可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入/输出块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互连资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来，构成特定功能的电路。

用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。

不同厂家或不同型号的FPGA，在可编程逻辑块的内部结构、规模、内部互连的结构等方面经常存在较大的差异。

除了上述构成FPGA基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用系统需求的发展，一般在FPGA中还可能包含以下可选资源：存储器资源（块RAM、分布式RAM）；数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟、时钟锁定）；算数运算单元（高速硬件乘法器、乘加器）；多电平标准兼容的I/O接口；高速串行I/O接口；特殊功能模块（以太网MAC等硬IP核）；微处理器（PowerPC405等硬处理器IP核）。

下面介绍两种FPGA的一般结构。

第一种包括5个可配置部分：（1）可配置逻辑块，用于实现大部分逻辑功能；（2）在可配置逻辑块的四周分布着可编程的输入输出块（Input/Output Blocks），提供封装引脚与内部逻辑之间的连接接口；（3）丰富的多层互连结构的可编程连线；（4）片上的随机存取块状RAM；（5）全数字式延迟锁相环（DLL）时钟控制块，与每个全局时钟输入缓冲器相连，该闭环系统确保时钟边沿到达内部触发器与其到达输入引脚同步，有效地消除时钟分配的延迟。

另一种FPGA器件主要包括：（1）逻辑阵列，由多个逻辑阵列块（Logic Array Blocks）排列而成，用于实现大部分逻辑功能；（2）在芯片四周分布着可编程的输入输出单元（Input/Output Elements），提供封装引脚与内部逻辑之间的连接接口；（3）丰富的多层互连结构的可编程连线；（4）片上的随机存取块状RAM；（5）锁相环（PLL），用于时钟的锁定与同步、能够实现时钟的倍频和分频；（6）高速的硬件乘法器，有助于实现高性能的DSP功能。

目前绝大部分FPGA都采用查找表技术，最基本逻辑单元都是由LUT和触发器组成的。

查找表简称为LUT，本质上就是一个RAM。

目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。

当用户通过原理图或VHDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。

这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出该地址对应的内容，然后输出即可。

由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的。

而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，因此需要外加一片专用的配置芯片。

在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，FPGA 就可以正常工作。

少数FPGA产品采用反熔丝或Flash工艺，掉电后配置信息不会丢失，因此这种FPGA芯片不需要外加的专用配置芯片。

单片机集成度高、功耗低、速度快、价格便宜、实用灵活、开发周期短。

自从20世纪80年代单片机首次推出以来，一经上市便显示出强大的生命力，以其独特的优点迅速占领市场并获得了广泛使用，并且很快在全世界得到广泛的推广与应用。

一直到现在，单片机技术正日臻完善，国内外的单片机热更是经久不衰，对于电子信息产业的发展更具有“倍增器”的作用。

因此新型单片机已成为21世纪极具发展潜力和影响力的一项电子科技产品。

目前，单片机正朝着兼容性、单片系统化、多功能和低功耗的方向发展。

单片机与单片系统、智能传感器、网络通信等高新技术的融合必将成为21世纪新的经济增长点。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，单片机升级换代的速度在不断加快，涉及新型单片机原理、接口技术、外围电路设计及应用技术的知识也在不断更新。

该设计中系统实现的增益程控放大功能和增益程控衰减功能主要是通过单片机、单片机外围电路、接口技术以及一些单片机原理来完成的，单片机成了整个电路中的“中心枢纽”，在功能键的控制下，单片机来完成对各个模块的控制。

在整个过程中，单片机完成信号的接受、处理、传出，在人为的操作下，控制着整个电路的工作状态。

随着电子技术的高速发展，现在的电子系统逐渐实现了智能化、人性化、最优化，并且富有了系统性、社会性。

除了能够满足系统功能和性能指标要求外，还具有很多优点：如电路简单、电磁兼容性好、可靠性高、系统集成度高、调试简单方便、操作简便、性能价格比高。

从系统的角度看，电子系统是能按特定的控制信号，执行所设想的功能，由一组元器件（通常电子器件）连成的一个整体。

从单级放大器到最复杂的计算机等很多设备都可以称为一个电子系统。

可以从很多元器件集成为一个功能单元，再用若干个功能单元去描述一个系统。

一般来说，电子系统分为模拟型、数字型及两者兼而有之的混合型三种，无论哪一种电子系统，他们都是能够完成某种任务的电子设备。

通常把规模较小、功能单一的电子系统称为单元电路，实际应用中的电子系统由若干单元电路组成。

一般的电子系统由输入、输出、信息处理三大部分组成，用来实现对信息的采集处理、变换与传输功能。

对于模拟电子系统，输入电路主要起到系统与信号源的阻抗匹配，信号的输入与输出连接方式的转换，信号的综合等作用，输出电路主要解决与负载或被控对象的匹配和输出足够大的功率去驱动负载的问题。

而对于数字电子系统，输入与输出电路主要解决与现场信号和控制对象的接口问题，输入电路往往由一些转换器或锁存器组成，而输出电路也由一些对应的转换器和驱动器组成。

在工业和民用场合，为了对各种低频信号进行测量分析，常常引入相位测量仪。

同频信号间相位差的测量在电力系统、工业自动化、智能控制及通信、电子、地球物理勘探等许多领域都有着广泛的应用。

尤其在工业领域中，相位不仅是衡量安全的重要依据，还可以为节约能源提供参考。

因此，研究和设计低频数字相位测量仪将会为国民经济的发展起到推动和促进作用。

2 概述2.1 FLEX10KK简介FLEX10K是工业界第一个嵌入式的可编程逻辑器件，采用可重构的CMOS SRAM工艺，把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时也结合了众多可编程器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。

FLEX10K的集成度已达到25万门。

它能让设计人员轻松地开发出集存储器、数字信号处理器及特殊逻辑（包括32位多总线系统）等强大功能于一身的芯片，已经推出了FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KV、FLEX10KE等分支系列。

其中EPF10K20是FLEX10K系列器件之一。

FLEX10K系列器件主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、快速通道（FAST TRACK）互连和I/O单元四部分组成。

由于FPGA器件的基于SRAM结构，数据具有挥发性，所以每次上电使用时必须重新下载数据。

对FPGA数据下载可通过下载电缆、专用配置芯片或微处理器等方式完成。

在本设计中，采用配置芯片EPC1441来完成。

EPC1441配置芯片属于EPROM结构，而不具有可擦写性。

2.2 VHDL硬件描述语言2.2.1 VHDL语言的发展状况[1]VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,诞生于1982年。

1987年底，VHDL被IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers)和美国国防部却认为标准硬件描述语言。

自IEEE公布了VHDL的标准版本（IEEE-1076)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL 接口。

此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接收，并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。

1933年，IEEE对VHDL进行论文修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。

现在，VHDL和Verilog语言作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，以成为事实上的通用硬件描述语言。

有专家认为，在新世纪中，VHDL语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务。

2.2.2 VHDL的特点VHDL主要用于描述数字系统的结构、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。