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EDA论文

模拟量数据采集

摘要

本次课程设计是一种基于FPGA技术的模拟数据采集的设计方案，本文所提出的一种基于FPGA技术的模拟量采集，利用FPGA的I/O端口多，且可以自由编程支配、定义其功能的特点，配以VHDL编写的FPGA内部执行软件，能很好地解决采集的信号路数多的问题。

因为用VHDL编写的执行软件内部对各组数字量是按并行处理的，而且FPGA硬件的速度是ns级的，因此本设计能实时地、快速地监测信号量的变化。

本设计鉴于FPGA和VHDL语言自身的特点，本设计具有较好的扩展性，在监测和控制系统中也具有一定的通用性。

系统主要包括：

FPGA芯片区、多路选择与A/D采样电路、ADC0809芯片等几部分。

关键词：

FPGAA/D采样模拟量采集VHDL语言设计

Abstract

ThecurriculumdesignisanFPGA-basedanalogdataacquisitiontechnologyinthedesignoftheproposedFPGA-basedanalogtechnology,digitalacquisitionandprocessingsystemusingFPGA'sI/Oportsandmore,andbefreeprogrammingcontrol,thedefinitionofthefunctionsofthecharacteristicsoftheFPGAwithVHDLwithinthepreparationoftheimplementationofsoftware,canbecollectedverygoodsolutiontotheproblemofmulti-signalapproach.BecauseVHDLimplementationofthesoftwarepreparedbytheinternalvolumeofthesetoffiguresisbasedonparallelprocessing,andFPGAhardwarensspeedclass,sothedesigninrealtime,monitoringoffastchangesinthevolumesignal.InviewoftheFPGAandVHDLdesignlanguageofitsowncharacteristics,thedesignofbetterscalability,inthemonitoringandcontrolsystemalsohassomeversatility.Systemmainlyincludes:

FPGAchiparea,multi-channelselectionandA/Dsamplingcircuit,ADC0809chipsuchasseveralparts.

Keywords:

FPGAA/DsamplingAnalogAcquisitionVHDLLanguageAcquisitionDesign

目录

1绪论…………………..……………………………………………………………………1

2课程设计内容及要求……………………………………………………………………..2

2.1课题设计内容………………………………………………..………………………2

2.2课题设计要求…………………………………………………………………..……2

3课程设计方案及原理…………...……………………………….………………………..3

3.1课程设计总体方案…………………………..………………………………………3

3.1.1设计思路…………………………………………………………………….…3

3.1.2设计流程图…………………………………………………………………….33.2课程设计原理………………………………………………………………..………4

3.2.1模拟量采集设计原理……………………………………………………….…4

3.2.2FPGA应用原理……..………………………………………………………….4

3.2.3VHDL应用原理………………………………………………………………..5

4课程设计步骤及过程…………………………………………………………………...6

4.1可编程器件控制的模数A/D转换软件设计……………………………………......6

4.2用数码管显示模数A/D转换器的输入电压………………………………………...7

4.3ADC0809的应用…………………………………………………………..................8

4.3.1ADC0809内部结构……………………………………………………….........8

4.3.2ADC0809引脚功能…………………………………………………………...10

4.4DAC0832的应用……………………………………………………………………11

4.4.1DAC0832内部结构…………………………………………………………...11

4.4.2DAC0832引脚功能…………………………………………………………...12

4.5实验仿真图形………………………………………………………………………13

5课程设计的心得体会…………………………………………………………………….14

参考文献……………………………………………………………………………….……..15

附录…………………………………………………………………………….……………..16

1绪论

课程设计是课程教学中的重要环节，不仅是对所学课程的一种实践性总结和应用，而往往是对多门课程的综合性设计与应用。

EDA是英文“ElectronicsDesignAutomation（电子设计自动化）”的缩写，EDA技术是90年代迅速发展起来的，是现代电子设计的最新技术潮流，是综合现代电子技术和计算机技术的最新研究成果，是从事电子线路设计与分析的一门技术，包括电子线路的设计、计算机模拟仿真和电路分析、印制电路板的自动化设计三个方面的内容。

EDA课程设计要求学生根据所学知识设计出一套基于EDA的应用系统。

它要求学生除了掌握EDA的工作原理、接口设计和程序设计之外，还要求学生结合Protel、电路、模拟电子技术和数字电子技术以及EDA等课程对系统进行综合设计。

本次课程设计主要应用VHDL语言，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是十分类似于一般的计算机高级语言。

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，用VHDL编写FPGA的内部执行程序，能很好地解决采集的信号路数多的问题。

因为用VHDL编写的执行软件内部对各组数字量是按并行处理的，而且FPGA硬件的速度是ns级的，因此本设计能实时地、快速地监测信号量的变化。

2课程设计内容及要求

2.1课题设计内容

本次课程设计的主要目的旨在通过独立完成一个“模拟量数据采集”的设计，达到对EDA技术的熟练掌握，提升对《EDA技术及应用》课程所学内容的掌握和应用。

在本次课程设计中使用Altera公司的EPF10K10系列的FPGA芯片，基于实验室现有的EDA实验箱，实现“模拟量数据采集”的设计内容。

2.2课题设计要求

1、由电位器调节的可变电压（0~5V）输入到模/数转换器ADC0809的IN0通道，利用FPGA设计电路控制ADC0809对该输入电压进行模/数转换，并将转换的结果（十六进制数）输出至数码管显示。

2、功能键：

（1）停止

（2）启动

3、利用FPGA设计电路实现对数/模转换器DAC0832的驱动，并将模/数转换器ADC0809的转换结果（数字量）通过DAC0832转换为模拟量的输出。

3课程设计思路及原理

3.1课程设计总体方案

3.1.1设计思路

先将每一个模块分别设计出来，再由软件生成图形，最后用软件连线，定义好每个引脚，最后在试验箱上进行最后的验证

（1）设计分频电路FEN模块。

（2）设计时序控制AD0809模块。

（3）设计进制转换DDDF模块。

（4）设计YM模块，用于控制数码管的位码。

（5）设计DISP模块，用于控制数码管的段码。

3.1.2设计流程图

图3.1设计总流程图

3.2课程设计原理

3.2.1模拟量采集设计原理

1先通过电位器来调节可变电压

2把调节电压输入到模/数转换器ADC0809的INO通道

3利用FPGA设计电路控制ADC0809对该输入进行模/数转换

4将结果输出到数码管显示

5利用FPGA设计电路控制DAC0832对该输入进行数/模转换

3.2.2FPGA应用原理

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

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采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

FPGA的基本特点主要有：

1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。

当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。

这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。

因此，FPGA的使用非常灵活。

FPGA有多种配置模式：

并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

3.2.3VHDL语言

VHDL语言目前在数字设计领域已为广大设计者所接受，众多CAD厂商纷纷使自己新开发的电子设计软件与VHDL兼容，VHDL语言成了电子设计工程师必须掌握的工具。

在目前，CPU和可编程逻辑器件已经成为数字系统的硬件基础，从事数字系统的设计必须掌握可编程逻辑器件的设计方法，而VHDL语言作为可编程逻辑器件设计时最重要的输入方法，为所有可编程逻辑器件厂商所支持。

因此要从事可编程逻辑器件的设计工作，必须掌握VHDL语言。

VHDL的英文是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,诞生于1982年。

1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。

自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版）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受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。

1993年，IEEE对VHDL进行了修订，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，（简称93版）。

现在，VHDL和Verilog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，已成为事实上的通用硬件描述语言。

有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。

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是十分类似于一般的计算机高级语言。

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。

4设计步骤及过程

4.1可编程器件控制的模数A/D转换软件设计

此电路模块包括两个部分：

分频电路FEN模块，将4MHz分频为500KHz给ADC0809的时钟输入CP；ADC0809的时序控制AD0809模块主要进行时序控制，对模拟信号采样，变成数字信号，由可编程逻辑器件读入，再送到DAC0832。

时序控制AD0809模块源程序使用了三个状态变量（x、y、state）控制ADC0809器件的工作时序，这是状态机的设计方法。

其流程图如下图所示：

图4.1时序控制AD0809模块源程序流程图

其仿真电路图如下：

图4.2A/D转换仿真电路图

4.2用数码管显示模数A/D转换器的输入电压

这部分包含了三个部分：

二进制转换十进制数DDDF模块、控制数码管段码的DISP模块以及控制数码管位码的YM模块。

流程图如下所示：

图4.3数码管显示流程图

其电路图如下图所示：

图4.4数码管显示仿真电路图

4.3ADC0809的应用

ADC0809带有8通道多路开关，单片COMS器件，采用逐次逼近法进行转换。

它的转换时间为100µs，分辨率为8位，转换误差小于±LSB/2，单电源5V供电，输入模拟电压范围为0~5V，内部集成了可以锁存控制的8路模拟多路开关，输出采用三态输出锁存器，电平与TTL电平兼容。

4.3.1ADC0809内部结构

ADC0809内部结构如图4.2所示。

图4.5ADC0809内部结构图

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

ADC0809芯片性能特点:

是一个逐次逼近型的A/D转换器,外部供给基准电压;单通道转换时间116µs；分辨率为8位,带有三态输出锁存器,转换结束时,可由CPU打开三态门,读出8位的转换结果;有8个模拟量的输入端,可引入8路待转换的模拟量。

ADC0809的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器,所以它的数字量输出信号线可以与系统的数据总线直接相连。

内部的三态缓冲器由OE控制,当OE为高电平时,三态缓冲器打开,将转换结果送出;当OE为低电平时,三态缓冲器处于阻断状态,内部数据对外部的数据总线没有影响。

因此,在实际应用中,如果转换结束,要读取转换结果,则只要在OE引脚上加一个正脉冲,ADC0809就会将转换结果送到数据总线上。

4.3.2ADC0809引脚功能

图4.6ADC0809引脚结构

1、模拟信号输入IN0～IN7：

IN0-IN7为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，工作时采用时分割的方式，轮流进行A/D转换。

2、地址输入和控制线：

地址输入和控制线共4条，其中ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线，用于选择IN0-IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上地址信号得以锁存，经译码器控制八路模拟开关通路工作。

3、数字量输出及控制线（11条）：

START为“启动脉冲”输入线，上升沿清零，下降沿启动ADC0809工作。

EOC为转换结束输出线，该线高电平表示AD转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。

D0-D7为数字量输出线，D7为最高位。

ENABLE为“输出允许”线，高电平时能使D0-D7引脚上输出转换后的数字量。

4、电源线及其他（5条）：

CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需，一般为640kHz时钟脉冲。

Vcc为+5V电源输入线，GND为地线。

+VREF和-VREF为参考电压输入线，用于给电阻网络供给标准电压。

+VREF常和VDD相连，-VREF常接地。

4.4DAC0832的应用

DAC0832是采样频率为八位的D/A转换器件。

4.4.1DAC0832内部结构

DAC0832内部结构资料:

芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。

D/A转换结果采用电流形式输出。

要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。

运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，海可以外接。

该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接，下面是芯片电路内部结构图：

图4.7DAC0832内部结构图

4.4.2DAC0832引脚功能

DAC0832引脚图如下所示：

图4.8DAC0832引脚结构图

D0～D7：

8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；

ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

CS：

片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

WR1：

数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

XFER：

数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

WR2：

DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

IOUT1：

电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

IOUT2：

电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

Rfb：

反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；

Vcc：

电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

VREF：

基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；

AGND：

模拟信号地；

DGND：

数字信号地；

4.5实验仿真图形

实验仿真图形如下图所示：

图4.9实验仿真图形

5课程设计心得体会

这次EDA课程设计历时两个星期，前面几天就是在寝室学习和熟悉MAX+plusⅡ软件，学到了很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

过程中也遇到了很多问题，不过及时的问老师解决问题，使我更加了解了模拟量采集的原理。

在自己有余的时间还帮助同学修改性能指标，通过这次设计，进一步加深了对EDA的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。

特别是当每一步成功时，心里特别的开心。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟是第一次接触EDA设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

总的来说，这次模拟量采集的设计还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤的指导下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。

最后，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

参考文献

[1]阎石主编，《数字电子技术基础》，高等教育出版社，1998

[2]谭会生等主编，《EDA技术及应用》，西安电子科技大学出版社，2001

[3]廖裕评等主编，《CPLD数字电路设计——使用MAX+plusⅡ入门篇》，清华大学出版社，2001

[4]冯涛等主编，《可编程逻辑器件开发技术：

MAX+plusⅡ入门与提高》，人民邮电出版社，2002

[5]杨崇志，《特殊新型电子元件手册》，辽宁科学技术出版社，1999

[6]彭介华，《电子技术课程设计指导》高等教育出版社.2000年出版.

[7]MarkZwolinski,DigitalSystemDesignwithVHDL,电子工业出版社，2002

[8]AlanB.MarcovitzIntroductiontologicDesign,电子工业出版社，2002

附录

ADC0809控制模块源程序如下：

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

entityAD0809is

port（clk,eoc:

instd_logic;

din:

instd_logic_vector（7downto0）;

start,oe,ale:

outstd_logic;

dout:

outstd_logic_vector（7downto0））;

endAD0809;

architectureAD0809_arcofAD0809is

begin

process（clk）

variablex,y:

std_logic;

variablestate:

integerrange0to2;

begin

ifclk'eventandclk='