【文章內(nèi)容簡介】 ，具有靈活性和及時(shí)面市優(yōu)勢的 FPGA與 ASIC 相比更有競爭性，在數(shù)字 消費(fèi)市場上的應(yīng)用也急劇增加。第一代 Cyclone 系列迄今發(fā)售了 3百多萬片，在全球擁有 3,000 多位客戶，對大批量低成本數(shù)字消費(fèi)市場有著巨大的影響，該市場消納了三分之一的器件。根據(jù) Gartner Dataquest 調(diào)查，顯示 通信 系統(tǒng)時(shí)鐘分頻 A/D 轉(zhuǎn)換 開始 . . 在 2020 年僅消費(fèi)電子市場對 FPGA 需求就將達(dá)到 3億 9千萬美元， 2020 年，增加到11億 6千萬美元，年復(fù)合增長率 (CAGR)為 %。 同時(shí)， Cyclone II 器件系列也在電信、計(jì)算機(jī)外設(shè)、工業(yè)和汽車市場上獲得了巨大的進(jìn)步。 Cyclone II 器件包含了許多新的特性，如嵌入存儲器、嵌入乘法器、 PLL 和低成本的封裝，這些都為諸如視頻顯示、數(shù)字電視 (DTV)、機(jī)頂盒 (STB)、 DVD 播放器、 DSL 調(diào)制解調(diào)器、家用網(wǎng)關(guān)和中低端路由器等批量應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。 Cyclone II 器件采用 TSMC90nm 低 K絕緣材料工藝技術(shù)，這種技術(shù)結(jié)合 Altera低成本的設(shè)計(jì)方式，使之能夠在更低的成本下制造出更大容量的器件。這種新的器件比第一代 Cyclone 產(chǎn)品具有兩倍多的 I/O引腳，且對可編程邏輯，存儲塊和其它特性進(jìn)行了最優(yōu)的組合，具有許多新的增強(qiáng)特性。 Altera最近推出的 Nios II系列軟核處 理器支持 Cyclone II FPGA系列。 Nios II系列軟核處理器占用的邏輯僅需 美元，可以設(shè)計(jì)到 Cyclone II 器件中。 在Cyclone II FPGA中實(shí)現(xiàn) Nios II的設(shè)計(jì)除了大幅度降低實(shí)現(xiàn)成本之外，還具 100DMIP的性能，大約比 Cyclone 器件和 Nios 處理器提升了 100%。設(shè)計(jì)者使用 Nios II 處理器，能夠在任何一個(gè) Cyclone II 器件上構(gòu)建完整的可編程系統(tǒng)芯片 (SOPC)，是中低規(guī)模 ASIC 的新的替代方案。 Altera 為配置 Cyclone II FPGA 提供了低成本 的串行配置器件。這些串行配置器件定價(jià)為批量應(yīng)用，成本是相應(yīng) Cyclone II FPGA 的 10%。四個(gè)串行配置器件(1Mbit， 4Mbit， 16Mbit 和 64Mbit)提供了節(jié)省空間的 8 腳和 16腳 SOIC 封裝。 器件中任何不用于配置的存儲器可用于一般存儲，進(jìn)一步增強(qiáng)其價(jià)值。 Altera也為 Cyclone II器件客戶提供了 40多個(gè)可定制 IP核， Altera和 Altera Mega function 伙伴計(jì)劃 (AMPPSM)合作者提供的不同的 IP 核是專為 Cyclone II 架構(gòu)優(yōu)化的，包括： Nios II 嵌入 式處理器； DDR、 SDRAM 控制器； FFT/IFFT； PCI編譯器； FIR 編譯器； NCO 編譯器； POSPHY 編譯器； Reed Solomon 編譯器； Viterbi 編譯器等等。 輸入電路 輸入電路由多路開關(guān)和電位器組成，電位器調(diào)節(jié)多路開關(guān)的輸出電壓，使其在 0 到 。電位器的兩端分別接 GND和 VCC,中間的引腳接多路開關(guān)的輸入通道，當(dāng)電位器調(diào)節(jié)到最小電阻時(shí)，輸入到 CD4051 的通道電壓最大；. . 當(dāng)電位器調(diào)節(jié)至最大電阻時(shí)，輸入到 CD4051 的通道電壓最小。 輸入電路的原理圖如圖 所示 。 圖 輸入電路原理圖 ADS7822 ADS7822 是美國 BB（ TI）公司推出的一種高性能 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器， ADS7822 的引腳排列 如 圖 。 它具有如下特點(diǎn)： （ 1） 采樣頻率可達(dá) 75kHz； （ 2） 單電源供電，可以在 ～ 電源電壓下工作； （ 3） 微功耗 ： 采樣速率為 75kHz 時(shí)為 m W； 時(shí)為 W； （ 4） 體積小 ； （ 5） 模擬信號可單端或差分輸入 。 圖 ADS7822引腳排列圖 Vref： 參考電壓輸入端 。 . . + In： 模擬信號輸入同相端 。 In： 模擬信號輸入反相端 ,與地或遠(yuǎn)端傳感信號參考點(diǎn)相連 。 GND： 電源地 。 CS/SHDN： 片選端 ,低電平時(shí)片選有效 ； 高電平時(shí)芯片工作在掉電模式 。 Dout： 串行數(shù)據(jù)輸出端。串行輸出數(shù)據(jù)由 12 位組成。轉(zhuǎn)換時(shí) ,數(shù)據(jù)在 DCLOCK的下降沿有效 ,在 CS下降沿后的第二個(gè)時(shí)鐘脈沖允許串行數(shù)據(jù)輸出 ,經(jīng)一個(gè)無效位后輸出的是 12 位有效數(shù)據(jù) 。 DCLOCK： 數(shù)據(jù) 時(shí)鐘端 。 它是典型的逐次逼近型 A/ D 轉(zhuǎn)換器。當(dāng) CS 變?yōu)榈碗娖綍r(shí) ,開始一次 A/ D 轉(zhuǎn)換。來自輸入端的差分信號經(jīng)采樣保持并送轉(zhuǎn)換電容陣列比較后將其結(jié)果送入逐次逼近寄存器。工作時(shí)需外部提供參考電壓 Vref 和電源 +VCC。 ADS7822 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 圖 ADS7822 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 它是典型的逐次逼近型 A/ D 轉(zhuǎn)換器。當(dāng) CS變?yōu)榈碗娖綍r(shí) ,開始一次 A/ D 轉(zhuǎn)換。來自輸入端的差分信號經(jīng)采樣保持并送轉(zhuǎn)換電容陣列比較后將其結(jié)果送入逐次逼近寄存器。工作時(shí)需外部 提供參考電壓 Vref和電源 +VCC。 芯片采用三線制串行接口與微控制器相連。當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果在 DCLOCK的同步下由Dout 端逐位的輸出 ,每個(gè)數(shù)據(jù)位在 DCLOCK的下降沿被傳輸 ,轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖 。 . . 圖 ADS7822 轉(zhuǎn)換時(shí)序圖 具體轉(zhuǎn)換過程如下 ： CS的下降沿啟動一次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸 ,轉(zhuǎn)換周期的 ～ 輸入信號。 DCLOCK的第二個(gè)下降沿后 ,Dout輸出允許 ,將先輸出一個(gè)時(shí)鐘的低電平 ,接下來的 12個(gè)時(shí)鐘周期 ,Dout輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果 ,先是最高位 MSB(B11) 在前 ,依次傳送 ,最后是最低位 LSB(B0)； 當(dāng) LSB 輸出后 ,接下來是 B1位 ,并以低位在先的順序重復(fù)輸出直至 B11,當(dāng) B11再次輸出后 ,DOUT 變?yōu)楦咦钁B(tài)。接下來的時(shí)鐘對轉(zhuǎn)換器無影響 ,只有當(dāng)CS再一次從高到低跳變才開始一次新的轉(zhuǎn)換。 ADS7822 的使用注意事項(xiàng) : （ 1）參考電壓的范圍為 50 mV～ + Vcc ,其大小直接決定了模擬輸入信號的范圍。當(dāng) Vref = 時(shí) ,差動輸入的最大值也為 。當(dāng)外部基準(zhǔn)電壓降低時(shí) ,對應(yīng) A/ D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的失調(diào)增益誤差也將增大 ,同時(shí)固有噪聲也增大。 （ 2）模擬信號輸入模擬輸入端有 2 個(gè) ： + In 和 In。為了保證轉(zhuǎn)換的線性度 , + In 輸入端的輸入范圍為 GND V～ Vcc + V , In 的輸入范圍為 GND V～GND + 1 V。 （ 3）外部時(shí)鐘頻率的大小決定了 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率 ,10kHz 時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)換率625Hz , 75kHz。時(shí)鐘的占空比最好為 1/2 ,最小時(shí)鐘周期必須大于 400ns。 ADS7822在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的 是把外電路輸入的電壓顯示在上位機(jī)上， ADS7822的需要完成的任務(wù) 是模數(shù)轉(zhuǎn)換 ，上位機(jī)與 FPGA之間通過串口通信， 12位的二進(jìn)制數(shù)被“截去”. . 低 4位 ,被傳送的高 8位數(shù)據(jù)在上位機(jī)上，通過 Labview軟件實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制電壓的顯示。ADS7822的電路原理圖如圖 。 圖 ADS7822電路原理圖 多路模擬開關(guān) CD4051 CD4051 是單 8 通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有 A、 B 和 C 三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端以及 INH 共 4個(gè)輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為 ～ 20V 的數(shù)字信號可控制峰值至 20V 的模擬信號。例如，若 VDD=+5V， VSS=0， VEE=，則 0～5V的數(shù)字信號可控制 ～ 的模擬信號。這些開關(guān)電路在整個(gè) VDDVSS和VDDVEE 電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng) INH 輸入端 =“ 1”時(shí)，所有的通道截止。只有當(dāng) INH=0 時(shí)，三位二進(jìn)制信號才可以選通 8 通道中的一個(gè)通道，連接該輸入端至輸出。其中 VEE 可以接負(fù)電壓，也可以接地。當(dāng)輸入電壓有負(fù)值時(shí)， VEE 必 須接負(fù)電壓，其他時(shí)候可以接地。 CD4051 相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的 3位地址碼 ABC 來決定。此外， CD4051 還設(shè)有另外一個(gè)電源端 VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CMOS 電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān)可傳輸峰－峰值達(dá) 15V 的交流信號 。 引腳功能表 如表 ，真值表如表 ， 引腳排列如圖 ， CD4051 的電路連接圖如圖 所示 。 . . 表 引腳功能表 表 CD4051 真值表 圖 引腳排列圖 . . 圖 CD4051 電路連接圖 顯示電路 74LS138 當(dāng)一個(gè)選通端（ E1）為高電平，另兩個(gè)選通端（ (/E2))和 /(E3)）為低電平時(shí)，可將地址端（ A0、 A A2）的二進(jìn)制編碼在 Y0 至 Y7 對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 比如： A2A1A0=110 時(shí)，則 Y6輸出端輸出低電平信號。 74LS138 引腳如圖 所示，真值 表 如表 所示 。 圖 74LS138 引腳圖 . . 表 74LS138 真值表 74HC245 74HC245 總線驅(qū)動器，典型的 TTL 型三態(tài)緩沖門電路。由于單片機(jī)等 CPU的數(shù)據(jù) /地址 /控制總線端口都有一定的負(fù)載能力，如果負(fù)載超過其負(fù)載能力，一般應(yīng)加驅(qū)動器。 74HC245 引腳圖和真值表如圖 和 表 所示 。 圖 74HC245 引腳圖 第 1腳 DIR，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用， DIR=“ 1”高 電平時(shí)信號由 “ A” 端輸入 “ B”端輸出， DIR=“ 0” 低電平時(shí)信號由 “ B” 端輸入 “ A” 端輸出。 第 2~9腳 “ A” 信號輸入輸出端， A1=B、 A8=B8， A1與 B1是一組，如果DIR=1,OE=“ 0” 則 A1輸入 B1輸出，其它類同。如果 DIR=“ 0” ,OE=“ 0” 則 B1輸入 A1輸出 ,其它類同。 第 11~18腳 “ B” 信號輸入輸出端，功能與“ A”端一樣，不在描述。 . . 第 19腳 OE，使能端，若該腳為 1時(shí)， A/B端的信號將不導(dǎo)通，只有為“ 0”時(shí) A/B端才被啟用，該腳也就是起到開關(guān)的作用。 第 10腳 GND， 電源地。 第 20腳 VCC，電源正極。 圖 74HC245內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 七段數(shù)碼管 七段數(shù)碼管 （ Sevensegment display）為常用顯示數(shù)字的 電子元件 。因?yàn)榻栌善邆€(gè)發(fā)光二極管以不同組合來顯示數(shù)字，所以稱為七段數(shù)碼管，而七劃旁的點(diǎn)為它的“第八劃”。 圖 圖 . . 一般的七段數(shù)碼管擁有八個(gè)發(fā)光二極管用以顯示十進(jìn)制 0至 9的數(shù)字，也可以顯示英文字母，包括十六進(jìn)制中的英文 A至 F（ b,d 為小寫，其他為大寫）?，F(xiàn)在大部份的七段數(shù)碼管會以 斜體 顯示。 七段數(shù)碼管能夠顯示十六進(jìn)制的數(shù)字，七段數(shù)碼管由四個(gè)直向、三個(gè)橫向及右下角一點(diǎn)的 發(fā)光二極管 組成，由以上 8條發(fā)光體組合出不同的數(shù)字。除七段數(shù)碼管外，還有十四及十六劃的顯示器，但現(xiàn)在已被 點(diǎn)陣 顯示器（ Dotmatrix）所取代。七段數(shù)碼管分為 共陽極 及 共陰極 ，共陽極的七段數(shù)碼管的 正極 （或陽極）為八個(gè) 發(fā)光二極管 的共有正極，其他接點(diǎn)為獨(dú)立發(fā)光二 極管的 負(fù)極 （或陰極），使用者只需把正極接電，不同的負(fù)極接地就能控制七段數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字。共陰極的七段數(shù)碼管與共陽極的只是接點(diǎn)方法相反而已。 顯示電路 發(fā)光二極管 （ LightEmitting Diode，簡稱 LED）是一種能發(fā)光的 半導(dǎo)體 電子元件。這種電子元件早在 1962 年出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時(shí)至 今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當(dāng)?shù)墓舛取６猛疽灿沙鯐r(shí)作為指示燈、顯示板等；隨著白光發(fā)光二極管的出現(xiàn)而續(xù)漸發(fā)展至被用作照明。 LED 只能往一個(gè)方向?qū)ǎㄍ姡?，叫作正向偏置（正向偏壓），?dāng)電流流過時(shí)，電子與電洞在其內(nèi)重合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，而光線的波長、顏色跟其所采用的半導(dǎo)體物料種類與故意滲入的元素雜質(zhì)有關(guān)。具有