基础强化训练报告标准

23/28基础强化训练任务书学生姓名：侯康专业班级：电子0802指导教师：XX工作单位：题目：FPGA开发板电路印制板图的设计训练目的主要目的就是对学生进行基础课程、基本技能、基本动手能力的强化训练，提高学生的基础理论知识、基本动手能力，提高人才培养的基本素质。训练内容和要求1、基础课程和基本技能强化训练(1)设计一个FPGA最小系统电路；(2)对所设计电路的基本原理进行分析；2、文献检索与利用、论文撰写规范强化训练要求学生掌握基本的文献检索方法，科学查找和利用文献资料，同时要求学生获得正确地撰写论文的基本能力，其中包括基本格式、基本排版技巧和文献参考资料的写法、公式编排、图表规范制作、中英文摘要的写法等训练。3、基本动手能力和知识应用能力强化训练(1)学习PROTEL软件；(2)绘制电路的原理图和PCB版图，要求图纸绘制清晰、布线合理、符合绘图规范；4、查阅至少5篇参考文献，按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写基础强化训练报告书，全文用A4纸打印。初始条件计算机；MicrosoftOfficeWord软件；PROTEL软件时间安排1、20010年7月12日集中，作基础强化训练具体实施计划与报告格式要求的说明；学生查阅相关资料，学习电路的工作原理。2、2010年7月12日，电路设计3、2010年7月13日至2010年7月4、2010年7月1指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II1. 绪论 12. Protel使用相关说明 22.1Protel软件安装 22.2Protel设计流程 23.FPGA开发板原理图设计 33.1设计前的准备 33.1.1设定图纸大小 33.1.2设置Protel设计环境 33.1.3旋转零件 43.1.4原理图的布线 43.2FPGA原理图的设计 53.2.1电源电路的设计 53.2.2晶振电路 53.2.3程序下载电路 63.2.4外部数据扩展电路 63.2.5配置芯片电路 73.2.6FPGA主控芯片电路 73.2.7ERC检测 83.3FPGA网络报表的生成 83.4FPGA印制电路板图的设计 93.4.1装载网络表 93.4.2PCB板图的生成 103.4.3PCB布线 113.4.4信号完整性检测 114.小结与体会 12参考文献： 13附录I：FPGA最小系统原理总图 14附录II：PCB总图 15附录III：原件清单 16摘要随着科技的不断发展，EDA（电子设计自动化）技术已经成为工业设计的不可或缺的一部分，而Protel正式EDA中的一员。在电子行业的CAD（计算机辅助设计）软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率很高。如今Protel已经发展成为完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。正是因此，它在电子电路设计、工业版图设计等多领域均得到了广泛的应用。关键词：EDAProtelPCBCADAbstractWiththecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,EDA(ElectronicDesignAutomation)technologyhasbecomeanindispensablepartofindustrialdesign,andProtelEDAinanofficial.Intheelectronicsindustry,CAD(computeraideddesign)software,whichdeservedlycameinfrontofmanyEDAsoftwareisthedesignerofchoiceforelectronicsoftware,whichstartedearlyoninthecountry,thehighpenetrationrateinthecountry.TodayProtelhasdevelopedintoacompleteboard-levelelectronicdesignsystemcomprehensive,itincludesschematicdrawing,analoganddigitalcircuits,mixed-signalsimulation,multi-layerprintedcircuitboarddesign(includingautomaticroutingofprintedcircuitboard)canprogramminglogicdesign,graphicsgeneration,spreadsheetsgeneratedtosupportfeaturessuchasmacrooperations,andwithClient/Server(client/server)architecture,butalsocompatiblewithanumberofotherdesignsoftware,,suchasORCAD,PSPICE,EXCEL,etc.Themulti-layerprintedcircuitboardscanbeautomatedforhighdensityPCBlayout100%ofcloththroughrate.Itis,therefore,itisinelectroniccircuitdesign,layoutandmanyotherareasofindustryhavebeenwidelyused.Keywords：EDAProtelPCBCAD绪论数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。但其发展比模拟电路发展的更快。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。数字集成器件所用的材料以硅材料为主，在高速电路中，也使用化合物半导体材料，例如砷化镓等。逻辑门是数字电路中一种重要的逻辑单元电路。TTL逻辑门电路问世较早，其工艺经过不断改进，至今仍为主要的基本逻辑器件之一。随着CMOS工艺的发展,TTL的主导地位受到了动摇，有被CMOS器件所取代的趋势。近年来,可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA（Field－ProgrammableGateArray）的飞速进步，使数字电子技术开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完善，使用更灵活。FPGA，它是在PAL、GAL、CPLD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，有着如下的优点：FPGA运行速度快FPGA管脚多,容易实现大规模系统FPGA内部程序并行运行,有处理更复杂功能的能力FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发因而在数字信号处理、高速数据采集、网络控制、汽车电子、自动化控制领域都有着及其广泛的应用，FPGA技术的迅猛发展必将影响整个电子技术发展的方向，因而对于FPGA的学习也应当加强。要想学习FPGA技术就必须得有一套FPGA的最小系统开发板，这正是我们现在电路印制版图设计的主要内容。Protel使用相关说明2.1Protel软件安装本设计采用的是Protel公司的Protel99se电子线路EDA设计软件，其安装界面如下：2.2Protel设计流程电路原理图的设计电路原理图的设计主要是Protel99se的原理图设计系统（AdvancedSchematic）来绘制一张电路原理图。在这一过程中，要充分利用Protel99se所提供的各种原理图绘制工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。产生网络报表网络报表是电路原理图设计（SCH）与印制电路板设计（PCB）的一座桥梁，它是电路板自动的灵魂。网络表可以从电路原理图中获得，也可以从印制电路板中提取出来。印制电路板的设计印制电路板的设计主要是针对Protel99se的另一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助Protel99se提供的强大功能实现电路板的版面设计工作，完成高难度的各种布线。3.FPGA开发板原理图设计3.1设计前的准备3.1.1设定图纸大小在新建原理图设计文件（.SCH）后，首先要构思好零件图，设计好图纸大小。图纸大小是根据电路图的规模和复杂程度而定的，设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步，其设置界面如下所示：图3-1-1-1原理图图纸大小设置3.1.2设置Protel设计环境在设定好原理图的大小后，我们需要对Protel99se的工作环境进行相关的设置，主要包括设置格点大小和类型、光标类型、字体大小及颜色、原件显示类型等，大多数参数可以使用系统的默认值，其设置界面如下：图3-1-2-1系统优选项及字体设置3.1.3旋转零件在设计中为了排版的需要我们可能需要顺时针或是逆时针旋转原件，抑或是对调X方向或是Y方向的位置，这都需要Protel99se中的原件旋转功能。在Protel99se中，我们可以使用快捷键空格对原件进行顺时针旋转，使用快捷键x和y分别对调原件的x方向和y方向。3.1.4原理图的布线利用Protel99se/Schematic提供的各种工具，将图纸上的原件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图，常用工具栏如下所示：图3-1-4-1常用工具栏3.2FPGA原理图的设计3.2.1电源电路的设计FPGA的最小系统采用3.3V和1.5V双电源系统供电，输入电压5V，经过AMS1117后稳压输出，其电路原理图如下所示：图3-2-1-1电源电路原理图3.2.2晶振电路FPGA内部内置锁相环可以实现倍频，因而外部晶振只需要相对比较地的频率就可以实现高速的运算，本设计中采用的是标准的50M有源晶振，其电路原理图如下所示：图3-2-2-1晶振电路3.2.3程序下载电路FPGA可以实现双接口下载，JTAG和AS两种模式均可以对内部flash进行操作，其接口电路如下：图3-2-3-1程序下载电路原理图3.2.4外部数据扩展电路FPGA片外扩展64K*16位的IS61LV6416SRAM，它即可以作为数据存储区（32K），也可以作为程序存储区（32K）使用，其电路原理图如下：图3-2-4-1SRAM外部扩展电路3.2.5配置芯片电路本设计采用了EPCS1专用FPGA配置芯片，其标准传输速率为1Mbits，用于保存FPGA的配置信息，其电路原理图如下所示：图3-2-5-1EPCS1电路原理图3.2.6FPGA主控芯片电路本设计的FPGA主控芯片采用Altera公司的Cyclone系列EP1C3T144C8，其电路原理图如下所示：图3-2-6-1FPGA主控芯片原理图3.2.7ERC检测对于绘制好的原理图需要进行ERC检测以确保各个元件之间没有电气连接上的错误，其部分图示如下：图3-2-7-1ERC检测部分示意图3.3FPGA网络报表的生成在绘制FPGA原理图的过程中，我们需要对每一个元件填入相应的Footprint（封装），这样才能将原理图中的各个元件和印制电路板图中的各个元件联系起来，然后利用Protel99se的网络报表生成功能生成原理图相对应的网络报表，如下所示：图3-3-1网络报表生成对话框图3-3-2网络表部分示意图3.4FPGA印制电路板图的设计3.4.1装载网络表在生成PCB板图之前需要装载网络表，Design-Netlist即可装载网络表，示意图如下：图3-4-1-1网络表的装载3.4.2PCB板图的生成装载网络表后会自动在物理层附近生成原理图中各个元件相对应的PCB封装图，如下所示：图3-4-2-1PCB初始图此时需要对各个元件进行布局和电气位置规划，调整其相对位置，如下所示：图3-4-2-2调整后的PCB总图3.4.3PCB布线Protel99se提供了强大的自动布线功能，只需要对相应的布线规则进行设置即可，但本设计考虑到数据的高速传输和相应的模拟电路和数字电路的混合模式，还是决定对PCB原理图进行手动布线，成品PCB板图如下所示：3.4.4信号完整性检测完成好的PCB板图为了确保其功能的完整性需要对其进行信号完整性检测，以确保在本系统中信号的流向和强度不会发生继发性的增强、减弱和变向，其检测时图像如下：图3-4-4-1信号完整性检测部分示意图4.小结与体会至此，一个完整的FPGA最小系统印制电路板图的设计就告一段落了，经过这次Protel99se的强化训练，让我再一次回顾了Protel绘制电路板图的方法，通过原理图设计—网络表的生成—PCB图设计，我不仅熟悉了Protel的工作环境而且也能够更加熟练的使用和操作Protel，这也为我以后学习其他的EDA设计软件打下了坚实的基础。参考文献：[1]张瑾、张伟等著，电路设计与制板：Protel99SE入门与提高，人民邮电出版社，2007[2]周丽娜著，protel99se电路设计技术，中国铁道出版社，2009[3]及力、张涛等著，Protel99SE原理图与PCB设计教程，电子工业出版社，2007[4]王卫兵著，protel99se基础教程，北京邮电大学出版社，2008[5]朱云芳、江桦、翟旭等著，Protel99SE电路设计与制板快学易通，机械工业出版社，2007附录=1\*ROMANI：FPGA最小系统原理总图附录=2\*ROMANII：PCB总图附录=3\*ROMANIII：原件清单DescriptionDesignatorFootPrintLibRefPartType*U5TQFP144EP1C3T144C8EP1C3T144C8*U1TO-220-3SASM1117ASM1117-3.3*JP1ISP10-AHEADER5X2AS*JP2ISP10-AHEADER5X2JTAG*U2SOT223ASM1117ASM1117-1.5*R7805RES210K*R9805RES210K*R8805RES210K*U4SOP8EPCS1EPCS1CapacitorC21812CAPACITORPOL10uFCapacitorC6805CAP104CapacitorC5805CAP104CapacitorC21805CAP104CapacitorC18805CAP104CapacitorC19805CAP104CapacitorC20805CAP104CapacitorC24805CAP104CapacitorC25805CAP104CapacitorC26805CAP104CapacitorC27805CAP104CapacitorC28805CAP104CapacitorC29805CAP104CapacitorC30805CAP104CapacitorC31805CAP104CapacitorC32805CAP104CapacitorC33805CAP104CapacitorC34805CAP104*Y1OSCCRY50MHz*R2805RES230CapacitorC12805CAP102CapacitorC8805CAP104*S1KEY-6SW-PBSW-PBCapacitorC31812CA