（测试计量技术及仪器专业论文）基于fpga的频率计的设计.pdf

一 一 | ， i c l a s s i f i e di n d e x ：t h 714 1 u d c ：6 2 1 3 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g 一一 ( p e o p l ee q u a lt ot h em a s t e r sl e v e l ) d e s i g no nd i g i t a l f r e q u e n c y m e t e rb a s e do nf p g a c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo f0 r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i “： f a ny a b i n p r o f w a n gy a n p e n g m a s t e ro f e n g i n e e r i n g t e s t i n ga n dm e a s u r i n gt e c h n o l o g y a n di n s t r u m e n t a t i o n s e p t e m b e r ，2 0 0 9 n o v e m b e r ，2 0 0 9 it e b e iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 1 1 t 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：号参劲研 纠年卢月2 9 日 指导教师签名：。辱l q 卅年他月7 日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ； = 保密，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 砾保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论一躲珈爿 砷年历肌g 同 指导教师签名： 循，钓 w 3 夕年l 蝴矽同 1 ， 接要 摘要 e d a 技术的发展，改变了传统的电子设计方法。f p g a 等大规模可编程逻辑器 件的广泛应用，使电子设计变得和软件编程一样方便快捷。电子设计技术的进步， 也改变了传统频率计的设计方法。 常用的频率测量方法既有模拟的利用电路频率特性测量频率的方法，又有利用 脉冲计数测量频率的数字方法。随着数字电路技术的发展，以脉冲计数法为基础衍 生出各种改进型的数字测频方法，在测量精度、测量响应的快速性等方面都有了很 大提高。 本文分析了直接测频法和周期测频法的测量原理，说明了这两种测频方法产生 圭1 个计数误差的原因。多周期同步测频法由于实现了测频的闸门信号与被测脉冲信 号的同步，消除了被测信号的圭1 个计数误差。文中对多周期同步测频原理进行了深 入分析，并通过计算这三种测频方法的测量误差，说明了这三种测频方法的优缺点 和适用的测频场合。由于多周期同步测频法的测量精度和被测信号的频率无关，是 一种等精度测量方法，适用于宽范围的频率测量，所以本文采用多周期同步测频法 来进行频率计的设计，给出了设计总体方案。在具体的设计实现上，频率计的核心 测频模块采用了基于f p g a 大规模可编程逻辑器件的e d a 设计技术，依据自上而下 的设计方法，将测频模块按照实现功能的不同划分成了多个子模块，用v h d l 程序 实现了每个子模块的功能，最后通过顶层设计文件中的元件例化语句将各个模块连 接起来形成了测频模块的完整v h d l 程序设计。v h d l 程序通过综合、适配后形成 配置文件，下载到f p g a 器件中对f p g a 进行配置，使f p g a 成为实罚的测频模块。 最后，本文还对频率计的附件模块进行了硬件设计，。使频率计成为一个完整的频塞 溅量系统。 关键词数字频率计；频率；1 9 1 1 量；e d a ；f p g a ；v h d l 语言；配置器件 a b s t r a c t a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fe d at e c h n o l o g yh a sc h a n g e dt h e t r a d i t i o n a lm e t h o do fe l e c t r i c a l d e s i g n e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ss u c ha sf p g a h a sm a d et h e e l e c t r i c a ld e s i g na sc o n v e n i e n ta ss o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h ep r o g r e s so fe l e c t r i c a ld e s i g n t e c h n o l o g ya l s oc h a n g e dt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do ff r e q u e n c ym e t e r t h ec o m m o nm e a s u r e m e n t m e t h o do f f r e q u e n c y i st ou t i l i z et h e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i tt om e a s u r ef r e q u e n c y , a n da l s ot oa d o p t n u m e r i c a lm e t h o d o fu t i l i z i n gp u l s ec o u n t i n gt om e a s u r ef r e q u e n c y w i g ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lc i r c u i t t e c h n o l o g y , av a r i e t yo fi m p r o v e df r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ep r o d u c e db a s e d o n p u l s ec o u n t i n gm e t h o d a n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , m e a s u r e m e n to f t h er a p i dr e s p o n s e a n do t h e ra s p e c t sa r eg r e a t l yi m p r o v e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed i r e c tf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o da n dt h em e a s u r i n g p r i n c i p l eo fp e r i o d i cf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d ，w h i c hs h o w st h e r e a s o n sw h y t h e s et w om e t h o d sp r o d u c ee r r o ro f ：1c o u n t s m u l t i - p e r i o ds y n c h r o n o u sf r e q u e n c y m e a s u r e m e n tm e t h o dr e a l i z e dt h es y n c h r o n i z a t i o n o f g a t es i g n a l o ff r e q u e n c y m e a s u r e m e n ta n dt h em e a s u r e dp u l s es i g n a l ，e l i m i n a t i n gt h em e a s u r e ds i g n a le r r o ro f 圭1 c o u n t s t h ep a p e ra n a l y z e st h em u l t i p e r i o ds y n c h r o n o u sf r e q u e n c ym e a s u r e m e n t p r i n c i p l ei nd e p t h a n di n d i c a t e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s et h r e e m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n ds u i t a b l em e a s u r i n go c c a s i o n sb yc a l c u l a t i n gt h em e a s u r e m e n t e r r o ro ft h e s et h r e em e t h o d s a st h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fm u l t i p e r i o ds y n c h r o n o u s f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o di si n d e p e n d e n to nt h em e a s u r e ds i g n a lf r e q u e n c y ，w h i c h i sa ne q u a l a c c q u r a c ym e a s u r e m e n tm e t h o d ，i ti sa p p l i c a b l et oaw i d er a n g eo ff r e q u e n c y m e a s u r e m e n t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ra d o p t sm u l t i p e r i o ds y n c h r o n o u sf r e q u e n c y m e a s u r e m e n tm e t h o dt oc a r r yo u tt h ed e s i g no ff r e q u e n c ym e t e ra n dg i v e st h eo v e r a l l p r o g r a md e s i g n i nt h es p e c i f i cd e s i g nr e a l i z a t i o n ，t h em e a s u r i n gf r e q u e n c yc o r em o d u l e s o ft h ef r e q u e n c ym e t e ru s e se d ad e s i g nt e c h n o l o g yo fl a r g e s c a l ep r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e sb a s e d0 nf p g a ，a c c o r d i n gt ot o p - d o w nd e s i g nm e t h o d t h i sd i v i d e sf r e q u e n c y m e a s u r i n gm o d u l ei n t oan u m b e ro fs u b m o d u l e s i na c c o r d a n c ew i t ht h e d i f f e r e n t f u n c t i o n s ，u s i n gv h d lp r o g r a mt oa c h i e v et h ef u n c t i o no fe a c hs u b m o d u l e ，a n da tl a s t ， a d o p t e st h ec o m p o n e n ti n s t a n t i a t i o ns t a t e m e n ti nt o p l e v e ld e s i g nd o c u m e n t s t oc o n n e c t t h ev a r i o u sm o d u l e st o g e t h e rt of o r maf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e ，w h i c hi s a c o m p l e t ev h d i ，p r o g r a m m i n g v h d lp r o g r a m f o r m s c o n f i g u r a t i o n f i l e t h r o u g h 1 1 一一。；。；。；。；坚型璧窒乙二。；。；d ；。；一 _ 自目目；# 目 目= 目自 目目目目目自；2 j ；自；自目目；目；9 5 ；8 5 一一 i n t e g r a t i o na n da d a p t a t i o n ，a n dt h e ni s d o w n l o a d e dt ot h ef p g ad e v i c et oc o n f i g u r a t et h e f p g a s ot h a tf p g ab e c o m e sap r a c t i c a lf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e f i n a l l y ，t h e p a p e ra l s oc a r r i e so u th a r d w a r ed e s i g no ft h ea u x i l i a r ym o d u l eo f t h ef r e q u e n c ym e t e r ， m a k i n gf r e q u e n c ym e t e ri n t oac o m p l e t e 行e q u e n c ym e a s u r e m e n ts y s t e m k e y w o r d s d i g i t a l 矗e q u e n c ym e t e r ；缸e q u e n c ym e a s u r e m e n t ；e d a ；f p g a ；v h d l l a n g u a g e ；c o n f i g u r a t i o nd e v i c e = 。斗：p 第3 章f p g a 可编程逻辑器件及其应用1 1 3 。1可编程逻辑器件概述11 3 2f p g a 的结构与工作原理1 2 3 2 1查找表的原理与结构1 2 3 2 2 基于查找表( l u t ) 的f p g a 的结构1 4 3 2 3f p g a 的数字逻辑实现原理1 6 3 3 e d a 技术与h d l 1 6 1 1 1 2 2 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 8 8 8 m m m 1 1 1 制 j = j = j = “ 川 “ “ 。 ! | 引 ! ” ” 引 ! ! | ” ” 川 | ! ! | ：| “ 川 “ j = ! “ “ “ “ j = “ “ ：| “ 。 ! 一 一 ： 一 一 。 ! | “ 一 一 一 一 一 引 引 “ ” “ “ “ “ j t 目录 3 3 1e d a 技术的发展历程1 6 3 3 2 硬件描述语言( h d l ) 1 7 3 - 3 3e d a 设计方法18 3 3 4基于e d a 工具的f p g a 设计流程1 9 3 3 5v h d l 程序结构2 1 3 4 本章小结2 4 第4 章基于f p g a 频率计的设计方案2 5 4 1 频率计的总体设计方案2 5 4 2 频率计各功能模块的设计原理2 5 4 2 1频率测量及显示控制模块2 5 4 2 2 基准频率信号模块2 6 4 2 3 信号整形模块2 6 4 2 4 显示模块- 2 6 4 2 5电源模块2 6 4 3本章小结2 6 第5 章频率计各功能模块的设计实现2 7 5 1 频率测量及显示控制模块的设计2 7 5 1 1 测频闸门信号产生模块的设计2 7 5 1 2 计数器的设计2 9 5 1 3乘法器的设计3 】 5 1 4 除法器的设计3 4 5 1 5b c d 码转换器的设计j ：3 7 5 1 6 译码锁存器的设计4 0 5 1 7 项层v h d l 程序( 测频模块) 的设计4 2 5 2 基准频率信号产生模块的设计4 4 5 3 信号整形模块的设计4 6 5 4电源模块的设计4 8 5 5 显示模块的设计4 9 5 6 本章小结5 0 结论一51 参考文献5 2 攻读硕士学位期间所发表的论文5 4 致j 射一5 5 v 第1 章绪论 i 目= i = = 自；目目i ；j l 目自目；= = 自a 自= = ；= = 目= 目i 目；= ：= ；= ；= 目：；= 第1 章绪论 频率是电子技术领域最基本的参数之一，频率计是电子电气、仪器仪表等应用 领域不可缺少的测量仪器，除电量以外，不少物理量的测量，如振动、转速等的测 量都涉及到或可以转化为频率的测量。 1 1 课题的研究背景 频率计的设计技术是随着电子电路技术的发展而逐步向前发展的，早期的频率 计采用分立元件设计，设计周期长、稳定性差，并且成品体积大、功耗高。数字电 子技术和集成电路的发展，使得数字频率计广泛应用，数字频率计可以使用单元电 路和单片机来设计实现。相比分立件式的频率计来说，数字频率计提高了稳定性， 减小了体积，但是数字频率计仍然存在着电路复杂、设计周期长等缺点，数字频率 计的测量范围都是有限的，为测量不同频率的信号都要专门的设计某一部分电路， 灵活性差。 2 0 世纪末，随着微电子技术的进步和计算机技术的发展，在二者的相互促进下， 以f p g a 系列器件为代表的可编程逻辑器件的应用逐渐普及。可编程逻辑器件把通 用集成电路通过编程集成到一块尺寸很小的硅片上，成倍缩小了电路的体积，同时 由于走线短，减少了干扰，提高了系统的可靠性。由于这类器件可以通过软件编程 而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方 便快捷，为数字电路系统的设计带来了极大的灵活性。随着可编程逻辑器件集成规 模不断扩大，自身功能的不断完善和计算机辅助设计技术的提高，在现代电子系统 设计领域中的e d a 便应运而生了。 e d a ( 电子设计自动化) 是在c a d ( 计算机辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制 造) 、c a t ( 计算机辅助测试) 和c a e ( 计算机辅助工程) 基础上发展起来的计算机 辅助设计系统，e d a 是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系 统设计的主要表达方式，以计算机软硬件开发系统为设计工具，自动完成集成电子 系统设计的一门新技术。 本课题就是利用e d a 技术，以f p g a 器件为基础来设计一款数字频率计。 1 2 频率计发展现状 由于社会发展和科技发展的需要，信息传输和处理的要求的提高，对频塞的测 量精度也提出了更高的要求，需要更高准确度的时频基准和更精密的钡j 量技术。而 频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频塞源的精度以及所使用的测量设 备和钡i 量方法c 目前，国内外使用的钡j 频的方法有很多，有直接钡j 频法、内插泫、 1 件设计。 1 4 论文的组织结构 全文共分6 章。 第1 章是绪论，主要介绍了课题的研究背景、研究现状以及该课题的研究内容。 第2 章对可编程逻辑器件进行了综合介绍，说明了可编程逻辑器件的应用领域 及使用方法和开发环境。重点介绍了可编程逻辑器件的编程原理：同时对e d a 技术 的起源和发展进行了说明，着重说明了基于f p g a 的电子电路的设计方法。 第3 章主要介绍了几种常用的频率钡i 量方法，重点介绍了直接测顽法、周期测 2 第1 章绪论 频法以及多周期同步测频法的测量原理，并对这三种测频方法的误差( 测量精度) 进行了分析。 第4 章提出了频率计的总体设计方案，并按照不同功能对频率计的总体设计进 行了模块划分。在此基础上对测频模块进行了子模块划分，便于用v h d l 程序对电 路进行设计实现，体现了自上而下的e d a 设计方法。 第5 章是本文的重点，在这一章中用v h d l 程序完成了测频模块中各个子模块 的设计，最后在项层设计文件中用元件例化语句将各个子模块连接起来完成了测频 模块的设计。同时这一章还完成了频率计各附件模块的硬件电路的设计，构成了完 整的频率计测频系统。 第6 章对f p g a 器件在实用系统中的使用和配置方法进行了说明，并按照f p g a 芯片及其配置器件的引脚功能进行了硬件连接线的设计。 结论部分对本文的研究进行了总结，并指出了该研究上的不足，以此作为下一 步研究的重点。 一 ) 路达到谐振。如果电容的调节度盘按谐振频率刻度，则可直接从该刻度读出被测频 率值。 谐振法测量频率的误差大约在( 0 2 5 - - 1 ) 范围内，主要用于高频段的频窒测 量。谐振法优点是体积小、重量轻，不要求电源等，医而它目仍获得广泛的应用。 3 频率一一电压转换测频法 频率一电压转换( 乒v ) 测频法的原理是利用相关电路把正弦频率f x 转换为周躬 相等、宽度、幅度均为定值的矩形脉冲亭列，用低通滤波器滤除其全部交流分量， 则平均值即直流分量。妊下式： 4 第2 章频率测量技术的研究 醌：兰l ：u m f 磊 u d = 一= f h 7 。 输出的直流电压按频率刻度的电压表指示，则从电压表指针所指刻度便可直 接读出被测频率五。f - v 转换式频率计最高测量频率可达几兆赫。可以连续监视频率 的变化是这种测量法的突出优点。 2 1 2比较法测频 比较法测频就是用标准频率尼与被测频率厉进行比较，当把标准频率调节到与 被测频率相等时指零仪表( 零示器) 便指零，此时的标准频率值即被测频率值。比 较法测频可分为拍频法测频与差频法测频两种。前者是将待测频率信号与标准频率 信号在线性元件上叠加产生拍频。后者是将待测频率信号与标准频率信号在非线性 元件上进行混频。目前拍频法测量频率的绝对误差约为零点几赫兹，差频法测量频 率的误差可优于1 0 巧量级，最低可测信号电平达0 11 1 卜1 1 2v o 拍频法和差频法在 常规场合很少采用。 2 1 3 脉冲计数法测频 计数法测频是数字频率计常用的、最基本的频率测量方法。计数法就是在单位 时间内对信号的周期个数进行计数。计数法测频的精确度取决于基准时间的精确度 和计数误差。本设计采用计数法进行频率测量，下面对计数法的测频原理和基于计 数法的几种的测频方法进行详细分析。 2 2 脉冲计数法的测量原理 计数法的原理就是在一定的时间内，对周期性脉冲的重复次数进行计数。可用 图2 1 来说明。 b c 2 + 孽- t - j 二三一计数萎不 1 一 一 b _ 一t a 卜 r 1 。，1 。一 t a + 丰p a t 2 丁+ 123 一l_-。_。_h_一_。_-。_。-。，一 图2 1 计数法淡熊原墨 f i g 2 - 1c o u n t i n gm e t h o dm e a s u r i n gp r i n c i p l e 5 矗= 7 焉= 等 这里，时间间隔丁= m - 疋= m r e ，瓦、工分别是基准频率信号的周期和频率值， m 为t 时间内包含的基准频率信号的周期数。 很显然，直接测频法适合于测量频率较高的信号。 2 3 2直接测频法误差及测频范围分析 直接测频法的测量误差主要来源于闸门时间丁的误差和计数误差。闸门时间r 6 笫2 章频率测量技术的研究 来自于基准时钟五的精确计数，所以丁的误差源自基准时钟的误差。因此，总误差 最终可以采用分项误差绝对值线性相加来表示，即： a na t 1尼 二= 一+ 一= 一+ 二 矗 ntn 彳c 式中够f c 称为基准频率的稳定度。进一步推导可得测频的最大相对误差为： 竺：f ，+ 堑、 乒l 蟛乒 由上式可见，被测频率五越高，闸门开启时间丁越长( m 的值越大) ，测频的相对误 差觚饭越小，即测频的精确度越高。 若采用k 位二迸制计数器，则最大允许计数值为： k 默= 2 1 。为使计数结果不 超过计数器最大允许计数值而发生溢出，要求： 磊坚疋 若该计数器的计数脉冲频率最大允许值为矗戤则还要求：a _ 弦- - - 9 磋= = = 缓冲_ t 八 ：电罄：死 歹： 电凳 ： _ 幽3 1基本p l d 器臀杓原墨结构幽 f i g 3 - 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo fp l dd e v i c ec h a r t 乘积项逻辑可编程结构中，与阵列和或阵列中的任一个或者两者都可以是可编 程结构，这样可以根据数字电路的设计需要构造出所需的与或表达式，实现组合数 字电路的设计。在可编程与、或阵列的基础上加上存储元件即可构成可编程时序逻 辑电路。若再增加可编程的i o 结构，实现纶合电路或时序电路输出项向输入端的反 馈，则更可实现复杂的组合或时序逻辑： 乘积项可编程逻辑器件经历了从p r o m ( p r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y ) 、 3 2 1查找表的原理与结构 对于组合逻辑电路来说，当前的输出总是当前输入的函数，并且当电路结构固 定时，输入量不变，输出量也不会发生变化。如图3 3 所示组合逻辑电路。 a 、 广 b 一，_ 二乏：一p c 一、 q _ z ， 1 2 第3 章f p g a 可编程逻辑器件及其应用 图3 - 3 组合逻辑电路示例 图3 3 所示电路实现爵嘧誉黜帮8 峨鲁毕。x 冬嗡( b + c ) 。该组合逻辑电路的 真值表如表3 1 所示。 表3 - i示例组合电路的真值表 t a b 3 - i e x a m p l ec o m b i n a t i o n abcp q 00 0o0 0 011o 010oo 0i1 10 100 oo 表3 - 2r a m 中存储的数据 t a b 3 - 2t h ed a t as t o r e di nr a m a 2a ，a od ：d o oo0 oo 0011o o1o00 011 1o l00 1o1 o0 l1 11111 真值表决定了输入和输出之间的逻辑关系。将真值表和随机存储器联系起来， 我们会看到，若输入量a 、b 、c 作为随机存储器的地址输入a 2 、a l 、a 0 ，则输出 量p 、q 可以看作是存储器中该地址对应的存储单元中存储的数据d 1 、d o 。如表2 2 所示。存储器中各个单元存入不同的数据，地址( 输入量) 和存储单元中的数据( 输 出量) 可构成不同的组合逻辑关系。这是用随机存储器( r a m ) 实现可编程组合逻 辑的基本原理。 f p g a 可编程逻辑的形成方法就是采用基于这种原理的可编程的查找表( l o o k u pt a b l e ，l u t ) 结构。l u t 是可编程的最小逻辑构成单元。大部分的f p g a 采用基 于s r a m ( 静态随机存储器) 的查找表逻辑形成结构，就是用s r a m 来构成逻辑函 数发生器。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 x l 的r a m 。当用户在e d a 丌发环境中通过原理图或h d l 语言描述 了一个逻辑电路以后，e d a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把 结果事先写入r a m ，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行 查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。 f p g a 查找表单元如匿3 - 4 所示。 转入! _ + 黧= 能l u t 矢一班： 盼入3 _ 盼入4 图3 - 4f p g a 夸找表单元 f i g 3 - 4f p g al o o k u pt a b l eu n i t 】3 1 o 0 1 1 l f p g a 的总体结构包括可编程的行列连线( 图中未显示) 、逻辑阵歹l 块( l o g i c a r r a yb l o c k ，l a b ) 、4 k b 的r a m 块、连接在两个锁相环( p l l ) 上的全局时钟网 络及i 0 控制块等部分。 逻辑阵列块l a b 通过可编程的行列连线互相连接，并可实现l a b 和4 k b 的 r a m 块之间的连接：4 k b 的r a m 块是真双口的存储块，可提供真双端口、简单双 端口或单端口存储器的功能，r a m 模块被排列为列形结构，贯穿整个器件，并央在 某几个l a b 当中( 见匿3 5 ) 。f p g a 内建的全局时钟网络由贯穿整个器件的全局时 钟线组成，可以给器件内所有资源提供时钟。f p g a 的i o 管脚都是被安置在i 0 模 14 第3 章f p g a 可编程逻辑器件及其应硝 块( i o c ) 内，包围在l a b 行列结构的边缘。f p g a 的具体结构如图3 - 6 所示。 图3 - 6f p g a 的具体结构 f i g 3 - 6f p g a - s p e c i f i cs t r u c t t c f p g a 的可编程资源主要来自于逻辑阵列块l a b ，而每个l a b 都由多个逻辑单 元l e ( l o g i ce l e m e n t ) 构成。l e 是f p g a 器件最基本的可编程单元。图3 7 显示了 l e 的内部结构。 d a t a ： d a t a d a t a 3 d a t a 4 避位置护装载置步清零 缸发嚣旁群 j l j l 三至篙l u t ：鋈一震鍪弓鼻0 薯炼一在线 二= 二二二： 墓 消书造船 u 啼：= r 步、 皇乏线7 = 竣 - 、c - k t 一 ，l 衄a b c ，i 吐r i = 1 1 - ；麓了 c h l o w i d e r e $ 1 。“1 ：t 铲选舞 1 a b c j k ：，、 l a b c l k ? h 一_ 弋_ ，l 腑。渺线 一一 i 缇d 燕；：发舞 蠕 啦 纽 钵 全厨寸鲁 甾3 7f p g a ! 勺l e 结构巨 f i 2 3 7f p g a l fs t r u c t u r ec h a r l 1 5 第3 章f p g a 可编程逻辑器件及其应用 l e 主要由一个4 输入的查找表l u t 、进位链逻辑和一个可编程的触发器构成。 4 输入的u 月可以完成所有的4 输入1 输出的组合逻辑功能，进位链带有进位选择， 可以灵活地构成一位加法或减法逻辑，并可以切换。每一个l e 的输出都可以连接到 局部布线、行列、l u t 链、触发器链等布线资源。 每个l e 中的可编程触发器可以被配置成d 触发器、t 触发器、j k 触发器和s r 触发器模式。在一些只需要组合电路的应用中，对于组合逻辑的实现，可将该触发 器旁路，l u t 的输出可作为l e 的输出。 3 2 3 f p g a 的数字逻辑实现原理 我们以用f p g a 来实现图3 8 所示的数字电路来说明f p g a 实现数字逻辑的原 理。 图3 - 8 数字逻辑电路示例 f i g 3 - 8d i g i t a ll o g i cc i r c u i te x a m p l e 在f p g a 中，a 、b 、c 、d 输入信号由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连 线，然后作为地址线连到到l u t ，l 乙t 根据图3 8 中虚线框内的逻辑关系通过编程 已经事先写入了所有可能的逻辑结果，所以l u t 通过地址查找到相应的数据，然后 输出，这样组合逻辑就实现了。电路中d 触发器是可利用l u t 后面d 触发器来实r 现。时钟信号c l k 由i o 脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发 器的时钟端。触发器的输出与i o 脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样f p g a 就 完成了图3 8 所示电路的功能。这个电路是一个很简单的例子，只需要一个l u t 加 上一个触发器就可以完成。对于一个l u t 无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑 将多个单元相连，这样f p g a