基于FPGA的奇偶分频器的设计与实现.doc
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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书(毕业论文)题 目:基于FPGA的奇偶分频器的设计与实现学生姓名:学 号:专 业:电子信息工程班 级:电信101班指导教师: 5内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)基于FPGA的奇偶分频器的设计与实现摘 要分频器作为一种最基本的数字电路,广泛的应用在各种复杂的逻辑电路设计中,对于FPGA芯片来说,虽然能用自带的锁相环来产生一部分我们所需的频率,但是,用VHDL语言实现分频能从同一时钟较为方便、快捷的生成多个所需要的频率,同时能够实现信号的同步,因此,分频器的应用非常广泛.本设计应用软件为开发平台,运用VHDL语言编程实现整数的奇偶分频的设计,在本设计中实现
2、了0、2、4、6、8、10、12、14偶数的整数分频器设计和1、3、5、7、9、11、13、15奇数的整数分频器设计。通过仿真结果,验证了设计的正确性.关键词:FPGA;分频器;VHDL语言;Quartus Design and implementation of FPGAbased parity dividerAbstractDivider as a basic digital circuits, widely used in a variety of complex logic circuit design, the FPGA chip, although able to own a pa
3、rt of our phaselocked loop to produce the desired frequency, but using VHDL language divide from the same clock frequency is more convenient and efficient to generate multiple needs, while able to achieve synchronization signal, and therefore, the divider is widely used。 The design of application so
4、ftware development platform, the use of VHDL language programming odd integer divider design, the design is implemented in an even integer divider 0,2,4,6,8,10,12,14 design and 1,3,5,7,9,11,13,15 odd integer divider design。 The simulation results verify the correctness of the design.Key words:FPGA;
5、divider; VHDL language;Quartus 目录摘要IAbstractII第一章 绪论11。1 课题来源11。2 选题的意义和目的21。3 课题研究现状31.4 本文组织结构4第二章 EDA技术62。1 FPGA技术62。2 Quartus 软件简介72.3 VHDL语言82.3。1 VHDL简介82。3.2 VHDL特点92.3。3 VHDL组成10第三章 奇偶分频器设计与仿真123.1 偶数分频123.1。1 原理分析123.1.2 设计与仿真123.2 奇数分频173。2.1 原理分析173。2。2 设计与仿真18第四章 系统设计234。1 设计的任务234.2 系统设
6、计234。3 其余模块设计274.3。1 encoder_12模块274。3。2 mux21模块294。3。3 数码管显示驱动模块30第五章 下载与测试355.1 BTYG-EDA实验概述355。2 BTYG-EDA实验开发系统特点355.3 引脚分配355。4 验证36第六章 结论与展望376.1 结论376。2 展望37参考文献39致谢4035内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)第一章 绪论1.1 课题来源分频器作为数字系统设计中一类重要的电子电路,在数字电路的迅速发展历程中,通常要运用分频器来实现设计中希望获取的时钟频率。在遇到实际问题时,人们一般运用到的是整数分频,所以在实际情况中
7、时而体现出等占空比,时而体现出非等占空比。相同的系统设计有时也会运用不同形式的频率,此时,一般由定时器或定时器的级联模式组成不同形式的任意占空比偶数分频和不等占空比的奇数分频,这样的设计较为容易,而对比等占空比的奇数分频和小数分频设计就没有那么容易了.本设计是运用VHDL硬件叙述语言,通过Quartus9。0软件编程,应用Altera公司的FPGA内核,实现了一种不仅可以满足以上需求,并且能够共用的可控分频器。只要将分频器的输入接入对应的拨码开关,就能够获取希望得到的频率。电子技术飞速更新的历程中,FPGA/CPLD以它的可靠性强、运行快、串并行运行模式等多重优点在电子设计中具有更广泛的意义,
8、并且标志着将来EDA发展的趋向。FPGA/CPLD系统的设计运用了高级语言,例如当前常用的也比较成熟的VHDL语言和AHDL语言等,从而联接了软件与硬件之间的相互的运用和融洽,减少了设计产业的开发周期。因此应用先进的FPGA/CPLD替换旧式的通用集成电路、接口电路将使得电子技术走向更成熟的道路,为电子技术的迅速发展奠定了基础1。EDA技术的发展推进了当代电子设计和数字技术的迅速发展,熟练地运用EDA工具,人类从此能够应用最基本的原理、实用算法、协议等进行对电子和数字系统的设计和发明,所有的工作几乎都能够通过计算机进行计算和分析,而且能够把电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版
9、图的全部流程在计算机上智能分析和控制。再加上当今电子产品日新月异的发展和集成技术功能强大的变化后,旧式阶段技术体现的中小规模集成电路结构已经不能满足人类的需求量,因此电路设计也逐渐地从中小规模芯片升级为大规模及超大规模芯片,且拥有高集成度、运行快、功耗小的可编程IC单一设备蓬勃发展起来了。分频器应用在FPGA 系统设计中具有相当高的工作效率,使用硬件描述语言完成设计消耗较少的逻辑地址就能够完成对时钟的操作,其成本很低,并且可编程等优点2.1.2 选题的意义和目的自信息时代快速发展开始,电子产品已经日益在现实生活中占据越来越重要的作用对其的研发也随着电子元器件的快速发展而变化,相比最早的电子管器
10、件和晶体管,到现在的集成电路占据市场,工程师在产品开发时,运用的工具和方法都日益先进快捷,但不管什么时候电子设计的思路一直是:利用印刷电路板上的分立、现成元件、连接器或者IC创建物理平台实现所需要的功能.例如:在60年代,假设要制作一台收音机,工程师就必须在PCB板上利用晶体管、电感、电阻、电容、电线、滤波器、二极管等电路搭建出一个物理平台,然后对RF信号的调谐、滤波、放大等,最后收音机才具有全部功能。在实现基础电路后,大部分分立器件将被统一集成到一颗芯片上,但是总的来说设计的思路没有任何变化,关键还是在于在一个PCB板上利用无源器件和IC搭建出一个物理平台,然后该电子产品即可成功接收信号并且
11、实现对信号的处理和输出.但是,随着可编程器件的出现,例如FPGA,不同于之前传统设计思路,设计思路从此发生了巨大的变化,工程师将大部分功能全部集中到可编程领域,设计流程也发生了巨大变化,更多样式的设计流程被统一到一起。至于现在,更为快捷有效的电子设计是融合办卡设计、软件开发和可编程逻辑设计到一起,而将来,FPGA将融合处理、储存一体,板卡设计全部集中到可编程逻辑设计中,电子产品设计也将变成两种设计,即可编程逻辑设计和嵌入式软件设计。那时,电子设计会更专注于软件设计,即一种由开发语言和工具实现的设计。而FPGA也会演变为这种软件设计的载体,以FPGA形式存在的低成本、大规模可编程器件将可以随时随
12、地的得到,这将使得工程师可以将所有系统核心功能都集中到软件设计中,并且充分利用这种设计得天独厚的优势3.分频器是FPGA设计中最常见也是最基本的设计之一,虽然在当前大部分设计中,使用芯片厂家集成的锁相环资源居多,例如altera的PLL,Xilinx的DLL.来进行时钟的倍频,分频以及相移。但是对于一些对时钟要求不高的基本设计,利用语言对时钟进行分频和相移仍然十分流行。首先运用这种方法可以大幅度节省芯片内部的锁相环资源;再者,在达到对时钟操作的目的的同时将减少逻辑单元的消耗。另一方面,利用语言设计进行时钟分频,可以体现出设计者对设计语言理解程度的深浅.数字系统设计中的基本电路就是分频器,根据设
13、计需要的不同,设计者会碰到偶数分频、奇数分频、半整数分频等等,有时需要等占空比,也有要求非等占空比.在同一个设计中有时要求多种形式的分频。一般由计数器或计数器的级联构成各种各样的偶数分频及非等占空比得到奇数分频,实现较为简单。但对半整数分频、等占空比的奇数分频及小数分频实现较为困难。本文通过VHDL硬件描述语言,通过开发平台,使用FPGA,设计了一种能够完美满足上述所有要求的分频器。只需要在分频器的输入端输入相应的分频系数,便可以获得所需的频率.随着各种各样先进电子产品的快速推出,无线通讯网络的广泛应用,导致对晶源的要求变得越来越高。特别是在现代电子对抗战中,我们要求各种器件尽量工作我们要求的
14、频率下。电子产品的工作频率在其研发阶段就必须经过反复的调试才能确定下来,它既要必须保证电子产品具有较高的工作效率又需要保证电子产品的稳定性必须过关。有一些产品要求其工作区域比较广,并且我们还希望它能够在不同的工作环境下采用不同的工作频率,在及其恶劣的环境下也必须保证其工作的稳定性,而在环境比较好的情况下我们希望它的工作效率得到更好的提高.上述的条件就要求我们的工作频率可以随着我们环境的变化进行不断调整。对于一个晶振源我们只能得到唯一的一个工作频率,但如果集成大量晶振来实现多频率输出,一方面要投入很大的成本,另一方面不同晶振间的相位延迟也无法预测,并且在一个区间中集成大量晶振也容易引起串扰。假如
15、我们能够通过分频,对较高的晶振源进行分频就可以比较容易的获得丰富的频率,这有利于我们对产品的测试和应用.在传统的FPGA设计方法中,为了能够实现等占空比的奇数分频,通常采用通过对输入频率进行二倍频的电路,以及对倍频后的频率F进行偶数分频,这样就能够降低设计电路的最高工作频率,提高对硬件的要求。本设计在不改变设计要求的前提下,通过对常规的设计方法进行适当的改进,实现了在不需要对输入频率进行二倍频的条件下实现等占空比分频,并且更好的利用了频率资源,同时降低了设计的复杂性4。1.3 课题研究现状在数字逻辑电路设计中,分频器是一种基本电路,通常用来对某个给定频率的时钟进行分频,得到所需的时钟。时序电路
16、设计中需要各种各样的分频器来获得不同频率的时钟,其中以整数分频器最为常见。整数分频可以简单的使用模N计数器实现,即随驱动时钟跳变N次后就输出一个进位脉冲,然后立即被清零或置位,再开始新一轮的循环的计数。模N计数器的进位脉冲的宽度一般与驱动时钟相同,这对于边沿驱动的时序逻辑并不会带来什么问题。但是在某些需要使用电平逻辑的设计中,我们更希望分频时钟拥有50,或者与驱动时钟有相同的占空比.这时就需要通过另外的逻辑方法来进行分频,或者使用PLL。在基于CPLD(复杂可编程逻辑器件)/FPGA(现场可编程门阵列)的数字系统设计中,很容易实现由计数器或其级联构成各种形式的偶数分频及非等占空比的奇数分频,但
17、对等占空比的奇数分频及半整数分频的实现较为容易5。对于分频器的研究,Adler最早对注入锁定分频器进行研究,他在注入信号强度很弱的情况下对此进行了精确的推导,并且在小注入情况下得到了注入锁定范围比较精确的表达式,由此可以推导出在弱注入锁定现象发生的范围。但是这个模型是不完善的,它的前提是注入信号的强度很弱,而在实际应用中,这个前提往往是不成立的。Stanford大学的ThomasH。Lee等人对其做出了改进,提高了模型的精度,重新推导了Adler的经典公式。由于注入锁定分频器各种优点,使之非常适合在毫米波通信领域担任分频角色,因此,近年来受到学术界的广泛重视.许多科研单位,如加州大学洛杉矶分校
18、,斯坦福大学,明呢苏达双城分校,佛罗里达大学,香港科技大学,韩国科技大学,田纳西大学,台湾大学,东京大学等知名高校都纷纷加入关于此研究的行列。相比之下,国内对此的研究还比较少,主要集中在清华大学和浙江大学等高校。因此,为了缩小与国外研究的差距,在以后毫米通信的核心技术竞争上占据主动位置,积极展开这方面的研究显得很有必要6。在应用研究方面,科研人员针对目前注入锁定分频器在应用中出现的主要问题进行了广泛的研究,主要的方向有:扩大锁定范围,提高正交多相输出的精度,降低源电压和功耗,研究多模分频以及提高工作速度。多模分频的研究:在应用中,常常需要分频器有灵活的分频模式,比如小数频率合成器中就需要用到双
19、模或多模的分频器。这种技术在数字触发器实现的分频器中已经比较成熟,但是在注入锁定分频器领域仍然需要深入研究7.1.4 本文组织结构本文主要讲解了基于FPGA的奇数偶数分频器的设计,并把这二种功能模块集成到一起,通过Quartus 软件验证设计的正确性并最终下载到实验箱上进行最终验证。本文分为六章讲述,分别如下:第一章:主要介绍了课题的来源,选这个课题有何意义,目的是什么?分析查阅国内外研究这个设计已到什么地步。第二章:主要是对整个设计过程应该会用到的一些工具和软件的介绍,比如,FPGA的介绍,Quartus 软件的基本功能介绍,VHDL语言的特点,组成部分等。第三章:主要介绍偶数分频模块和奇数
20、分频模块的原理分析,具体实现方法,流程图分析,程序实现以及波形仿真。第四章:主要介绍了设计的整个系统,顶层文件。各个模块所实现的功能是什么,包括程序设计以及波形仿真。第五章:主要介绍了整个试验箱的功能,程序的验证,并观察出最终结果。验证设计的正确性。第六章:主要对论文进行了总结与归纳,与已有结果进行了一个简明比较,概括了仍然存在的一些问题,包括进一步开展研究的见解和建议等。第二章 EDA技术现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammable Gate Array)是美国Xilinx公司在二十世纪八十年代年最先开发出的一种通用型用户可编程器件.FPGA既具有门阵列器件的高度集成性能和通
21、用性,又可以通过可编程逻辑器件使得用户编程的时候具有灵活性.2.1 FPGA技术FPGA利用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)中的一个概定义,内部是由可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分构成.当前流行的FPGA仍然是建立在查找表技术上的,已经有很大一部分超越了之前版本的基础性能特性,而且结合了常用功能(如RAM、时钟管理和DSP)的硬核(ASIC型)模块,FPGA芯片基本上是由六个部分完成,分别是:可编程输入和输出单元、基本的可编程
22、逻辑单元、完整的时钟管理单元、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。FPGA的基本特性有:(1)用户在采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)的时候,不需要投片去制作,就能够获取到适用的芯片。(2)FPGA能够制作出其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片.(3)FPGA内部有多样的触发器与IO引脚。(4)FPGA是ASIC电路设计中周期最短、开发资费最低、危险性能最小的器件之一。(5)FPGA利用高速的CHMOS工艺,做功耗能低,能够被CMOS、TTL电平支持。(6)FPGA是通过放置在片内RAM中的程序来设定它工作状态的,所以,工作的时候需要对片内的RA
23、M程序进行编程。用户可以通过配置模式的不同,采纳不同的编程方式。配电时,FPGA芯片将EPROM中数据读取到片内编程RAM中,配置完成之后,FPGA随即进入工作状态。去电后,FPGA将恢复成白片,内部逻辑的关系也同时取消,因此,FPGA能够反复被运用。FPGA的编程不需要特定的FPGA编程器,只需用通用的EPROM、PROM编程器就可以。当需要更改FPGA的功能时,只需要更换一片EPROM就行。如此,同一片FPGA,不一样的编程数据,就可以产生不尽相同的电路功能。因此,FPGA的运用是非常灵活的。FPFA的主要生产厂商主要有:Altera ,Xilinx ,Actel ,Lattice 。其中
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