【文章內容簡介】 設計描述功能，既可描述系統(tǒng)級電路 , 也可以描述門級電路；描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結構描述，也可以采用三者的混合描述方式。同時， VHDL 語言也支持慣性延遲和傳輸延遲，這樣可以準確地建立硬件電路的模型。 VHDL 語言的強大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據類型。 VHDL 語言既支持標準定義的數(shù)據類型，也支持用戶定義的數(shù)據類 型，這樣便會給硬件描述帶來較大的自由度。 (3) VHDL 語言具有很強的移植能力 。 VHDL 語言很強的移植能力主要體現(xiàn)在 : 對于同一個硬件電路的 VHDL 語言描述 , 它可以從一個模擬器移植到另一個模擬器上、從一個綜合器移植到另一個綜合器上或者從一個工作平臺移植到另一個工作平臺上去執(zhí)行。 (4) VHDL 語言的設計描述與器件無關 。 采用 VHDL 語言描述硬件電路時 , 設計人員并不需要首先考慮選擇進行設計的器件。這樣做的好處是可以使設計人員集中精力進行電路設計的優(yōu)化 , 而不需要考慮其他的問題。當硬件 電路的設計描述完成以后 ,VHDL 語言允許采用多種不同的器件結構來實現(xiàn)。 (5) VHDL 語言程序易于共享和復用 。 VHDL 語言采用基于庫 ( library) 的設計方法。在設計過程中 , 設計人員可以建立各種可再次利用的模塊 , 一個大規(guī)模的硬件電路的設計不可能從門級電路開始一步地進行設計 , 而是一些模塊的累加。這些模塊可以預先設計或者使用以前設計中的存檔模塊 , 將這些模塊存放在庫中 , 就可以在以后的設計中進行復用。 由于 VHDL 語言是一種描述、模擬、綜合、優(yōu)化和布線的標準硬件描述語言 , 因此它可以使設計成果在設計人員之間方便地進行交流和共享 , 從而減小硬件電路設計的工作量 , 縮短開發(fā)周期。 QuartusⅡ簡介 Quartus II 是 Altera 公司的綜合性 PLD 開發(fā)軟件，支持原理圖、 VHDL 以及 AHDL（ Altera Hardware Description Language）等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整 PLD 設計流程。 江西師范大學科學技術學院 14 屆畢業(yè)設計說明 書 第 7 頁 共 36 頁 Quartus II 可以在 XP、 Linux 以及 Unix 上使用，除了可以使用 Tcl 腳本完成設計流程外，提 供了完善的用戶圖形界面設計方式。具有運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學易用等特點。 Quartus II 支持 Altera 的 IP核，包含了 LPM/MegaFunction 宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設計的復雜性、加快了設計速度。對第三方 EDA 工具的良好支持也使用戶可以在設計流程的各個階段使用熟悉的第三方 EDA 工具。 此外， Quartus II 通過和 DSP Builder 工具與 Matlab/Simulink 相結合，可以方便地實現(xiàn)各種 DSP 應用系統(tǒng)；支持 Altera 的片上可編程系統(tǒng)（ SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級設計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。 MaxplusII 作為 Altera 的上一代 PLD 設計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應用。目前 Altera 已經停止了對 Maxplus II 的更新支持， Quartus II 與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。 Altera 在Quartus II 中包含了許多諸如 SignalTap II、 Chip Editor 和 RTL Viewer 的設計輔助工具，集成了 SOPC 和 HardCopy 設計流程，并且 繼承了 Maxplus II 友好的圖形界面及簡便的使用方法。 Altera QuartusII 作為一種可編程邏輯的設計環(huán)境 , 由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設計者的歡迎。 Altera 的 Quartus II 可編程邏輯軟件屬于第四代 PLD 開發(fā)平臺。該平臺支持一個工作組環(huán)境下的設計要求，其中包括支持基于 Inter 的協(xié)作設計。Quartus 平臺與 Cadence、 Exemplar Logic、 Mentor Graphics、 Synopsys 和Synplicity 等 EDA 供應商 的開發(fā)工具相兼容。改進了軟件的 Logic Lock 模塊設計功能，增添 了 Fast Fit 編譯選項，推進了網絡編輯性能，而且提升了調試能力。 分析本題，根據設計要求先確定了本系統(tǒng)的整體設計原理框圖如圖 1： 江西師范大學科學技術學院 14 屆畢業(yè)設計說明 書 第 8 頁 共 36 頁 圖 1 原理框圖 2 總體設計方案 設計思路 硬件系統(tǒng)設計 （ 1） 數(shù)控核心設計：該 系統(tǒng)采用單片機為核心，采用目前比較通用的 51 系列單片機。此單片機的運算能力強，軟件編程靈活，自由度大，能夠實現(xiàn)對外圍電路的智能控制。 （ 2） D/A 轉換芯片 DAC0832：典型的 D/A 轉換芯片 DAC0832，是采用 CMOS 工藝制造的 8 位單片 D/A 轉換器。 8 位 D/A，分辨率為 1/256，選采樣電阻為 2 歐姆，D/A 輸出分辨率為 10mA 的電流，實現(xiàn)步進 10mA，完全能夠滿足本設計的要求。 （ 3） A/D 轉換芯片 ADC0809： ADC0809 是采樣頻率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模 — 數(shù)轉換的器件。其內部有一個 8 通道 多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 個單斷模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉換。 由于本設計只有輸出電流的采集， 8路輸入通道，完全能夠滿足本系統(tǒng)的設計要求。 （ 4） 鍵盤電路：在進行電流設定值的調整中僅需要 6 個按鍵，所以采用獨立式按鍵的鍵盤接口，即可滿足電路的設計要求。 （ 5）顯示電路：該系統(tǒng)要實現(xiàn)輸出電流 0mA～ 20xxmA，為了實現(xiàn)同時顯示電流的設定值與檢測值，需要用 8個數(shù)碼管進行顯示。顯示電路采用串行通信方式，利用 8個 74LS164 將串行數(shù)據轉換為并行輸出，去驅動 8位數(shù)碼管。 軟 件系統(tǒng)設計 系統(tǒng)軟件完成四個功能： (1)系統(tǒng)的初始化，包括各外圍接口芯片的初始化和電流起始值的初始化； (2)鍵盤檢測包括電流的預置與步進調整； (3) 用比較算法進行電流調整 ,實現(xiàn)輸出電流的精確控制； (4)實現(xiàn) D/A 轉換和 A/D 轉換 。 江西師范大學科學技術學院 14 屆畢業(yè)設計說明 書 第 9 頁 共 36 頁 設計方框圖 根據數(shù)控直流電流源的要求，由于要求有較大的輸出電流范圍和較精確的步進要求以及較小的紋波電流，所以不適合采用簡單的恒流源電路 FET 和恒流二極管，亦不適合采用開關電源的開關恒流源，否則難以達到輸出范圍和精度以及紋波的要求。根據系統(tǒng)要求采用 D/A 轉換后接運算放大 器構成的功率放大，控制D/A 的輸入從而控制電流值的方法。系統(tǒng)的原理框圖如圖 1 所示。 圖 1 3 設計原理分析 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)的設計包括時鐘電路、復位電路的設計。本電路中晶振頻率采用 12MHz，則單片機的機器周期就為 1181。s。復位電路才采用手動復位和上電復位組合。 鍵盤電路 對電流值進行設定時需要 6 個按鍵，該電路中按鍵采用獨立式按鍵，分別接與 ～ 和 。為了是電路工作可靠，每個端口都接了一個阻值 10K 的上拉 電阻。電路連接如圖 2 所示。電流值調整按鍵分布如圖 3 所示。 D/A 轉換電路 D/A 轉換采用典型的轉換芯片 DAC0832。該芯片 8 位數(shù)據采用并行輸入，所以直接接至單片機的 P2 口。并且將 DAC0832 連接成直通式工作方式。 鍵盤電路 顯示電路 AT89S51 單片機系統(tǒng) D/A 轉 換 A/D 轉 換 V/A 轉換及功率放大 負 載 采 樣 電 路 江西師范大學科學技術學院 14 屆畢業(yè)設計說明 書 第 10 頁 共 36頁 C32 2 u FR81KCRY1 2 M H zC13 3 P FC23 3 P FS7 + 5 VR72 0 0U 1 . 1 8U 1 . 1 9U 1 . 0 9 圖 2 圖 3 A/D 轉換電路 A/D 轉換采用典型的轉換芯片 ADC0809。 ADC0809 是采樣頻率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模 — 數(shù)轉換的器件。其內部有一個 8 通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 個單斷 模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉換。 ADC0809 芯片轉換時需用一個 500KHz 的時鐘信號，這個信號是由單片機的 ALE 端輸出的 2MHz 信號，經過兩個 D 觸發(fā)器進行四分頻得到。 ADC0809 的工作過程是：首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A／ D 轉換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到 A／ D轉換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A／ D 轉換結束，結果數(shù)據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。 當 OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據總線上。 電壓－電流轉換和功率放大電路 壓控恒流源是本系統(tǒng)的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化，圖 4 是數(shù)控電流源的恒流電路和加法器電路。 運算放大器 LM324 和晶體管V V2組成電壓－電流轉換器， U1A、 U1B 和電阻 R1－ R8 利用 D/A 的輸出實現(xiàn)對電壓進行數(shù)控。 LM324 主要功能是實現(xiàn)精密 V/I 轉換。 TIP42C（ 10A）是大功率PNP 三極管，主要功能是實現(xiàn)功率放大。 確 定 設 置 江西師范大學科學技術學院 14 屆畢業(yè)設計說明 書 第 11 頁 共 36頁 因為輸出電流范圍是 0— 20xxmA，由于取樣電阻為 2歐姆 ，則其電壓降為 0— 4000mV，即 U1 電壓范圍為 11V— 。單純依靠 D/A（ 05V）無法滿足要求。 加法器主要是利用其抬高 U1 點的電壓，將 U1點的電位抬高到 11V，在 D/A 輸出為 0— 5V 時，從而使 R9 上 Vcc20I o u t 111l s b D I 07I o u t 212D I 16D I 25R f b9D I 34D I 416V r e f8D I 515D I 614m s b D I 713I L E19W R 218CS1W R 12X f e r17U3D A C 08 3 032184U 4 A AL M 3 24567U 4 A BL M 3 2432184U 4 A AL M 3 24567U 4 A BL M 3 24R?1 0KR?1 0K+ 5V+ 5VR 1 81 0KR 1 91 0KR 1 71 0KR 2 01 0KR 2 11 0K R 2 21 0KR 2 31 0KR 2 41 0KV1T I P 4 1CV2T I P 4 1CR 2 92+ 15 VRL12345678J2C O N 8U1 圖 4 得到 0— 2A的電流。 V/I 轉換理論分析： U1A 的輸出為： ， 由于 R5＝ R4＝ R2 ＝ 10K， 故 。 經過 U1B 的反相作用，故 U2A 的同相輸入端的電壓為 ，根據運算放大器虛短的特點， U2A 的同相電壓等于 U2A 的反相電壓，故負載 RL 上