chap9电子系统设计实践.ppt

1、第9章电子系统设计实践,9.1 等精度频率计设计,在此完成的设计项目可达到的指标为：,（1）频率测试功能：测频范围0.1Hz100MHz。测频精度：测频全域相对误差恒为百万分之一。,（2）脉宽测试功能：测试范围0.1s1s，测试精度0.01s 。,（3）占空比测试功能：测试精度199。,9.1 等精度频率计设计,9.1.1 主系统组成,图9-1 频率计主系统电路组成,9.1 等精度频率计设计,9.1.2 测频原理,图9-2 等精度频率计主控结构,设在一次预置门时间Tpr中对被测信号计数值为Nx，对标准频率信号的计数值为Ns，则下式成立：,12-1,不难得到测得的频率为：,12-2,图9-3 频

2、率计测控时序,9.1.3 FPGA/CPLD开发的VHDL设计,占空比 = 12-3,【例9-1】 LIBRARY IEEE; -等精度频率计 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY GWDVPB IS PORT (BCLK : IN STD_LOGIC; -CLOCK1 标准频率时钟信号 TCLK : IN STD_LOGIC; - 待测频率时钟信号 CLR : IN STD_LOGIC; - 清零和初始化信号 CL : IN STD_LOGIC; -预置门控制 SPUL : IN STD_LO

3、GIC; -测频或测脉宽控制 START : OUT STD_LOGIC; EEND : OUT STD_LOGIC; -由低电平变到高电平时指示脉宽计数结束 SEL : IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); -多路选择控制 DATA : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -位数据读出 END GWDVPB; 接下页,ARCHITECTURE behav OF GWDVPB IS SIGNAL BZQ,TSQ : STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0);-标准计数器/测频计数器 SIGNAL ENA,PUL :

4、STD_LOGIC; - 计数使能/脉宽计数使能 SIGNAL MA,CLK1,CLK2,CLK3 : STD_LOGIC ; SIGNAL Q1,Q2,Q3,BENA : STD_LOGIC; SIGNAL SS : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); BEGIN START 0 ) ; ELSIF BCLKEVENT AND BCLK = 1 THEN IF BENA = 1 THEN BZQ = BZQ + 1; END IF; END IF; END PROCESS; TF : PROCESS(TCLK, CLR, ENA) -待测频率计数器，测频计数器 接下页

5、,BEGIN IF CLR = 1 THEN TSQ 0 ); ELSIF TCLKEVENT AND TCLK = 1 THEN IF ENA = 1 THEN TSQ = TSQ + 1; END IF; END IF; END PROCESS; PROCESS(TCLK,CLR)-计数控制使能，CL为预置门控信号，同时兼作正负脉宽测试控制信号 BEGIN IF CLR = 1 THEN ENA = 0 ; ELSIF TCLKEVENT AND TCLK = 1 THEN ENA = CL ; END IF; END PROCESS; MA = (TCLK AND CL) OR NOT(

6、TCLK OR CL) ; -测脉宽逻辑 CLK1 = NOT MA; CLK2 = MA AND Q1; CLK3 = NOT CLK2; SS = Q2 接下页,DD3: PROCESS(CLK3,CLR) BEGIN IF CLR = 1 THEN Q3 = 0 ; ELSIF CLK3EVENT AND CLK3 = 1 THEN Q3 = 1 ; END IF; END PROCESS; PUL =1 WHEN SS=10 ELSE -当SS=10时，PUL高电平，允许标准计数器计数， 0 ; -禁止计数 EEND =1 WHEN SS=11 ELSE-EEND为低电平时，表示正在计

7、数，由低电平变到高电平 0 ; -时，表示计数结束，可以从标准计数器中读数据了 BENA =ENA WHEN SPUL=1 ELSE-标准计数器时钟使能控制信号，当SPUL为1时，测频率 PUL WHEN SPUL = 0 ELSE -当SPUL为0时，测脉宽和占空比 PUL ; END behav;,例9-1的原理图,带括号的信号为端口信号,等精度测频率专用芯片,9.2 高速A/D采样控制设计,图9-4 TLC5510引脚图,引脚功能如下： clk：时钟信号输入。 Analog In：模拟信号输入。 D1D8：转换数据输出。 Reft、Refb、Refts、Refbs：参考电压基准输入。 O

8、E：输出使能，低电平有效。 DGND、VDDD：数字地、数字电源端。 AGND、VDDA：模拟地、模拟电源端。,9.2 高速A/D采样控制设计,图9-5 TLC5510采样时序图,9.2 高速A/D采样控制设计,图9-6 TLC5510采样控制状态图,Adck：提供A/D采样时钟。 Adoe：TLC5510的输出使能，一直有效。 Data：采样数据输出。 Dclk：用来同步Data的输出，可以作为下一级的Data锁存信号。,图9-7 TLC5510采样控制器模块图,【例9-2】- TLC5510 采样控制。 library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

9、entity ad5510 is port( rst : in std_logic; - 复位 clk : in std_logic; - 采样控制 Clock 输入 d : in std_logic_vector(7 downto 0); - 8位A/D数据 ADck : out std_logic; - TLC5510的CLK ADoe : out std_logic; - TLC5510的OE data : out std_logic_vector(7 downto 0); - 8位数据 dclk : out std_logic ); - 数据输出锁存信号 end ad5510; arc

10、hitecture ADCTRL of ad5510 is type adsstates is (sta0,sta1); signal ads_state,next_ads_state : adsstates; signal lock : std_logic; begin ads : PROCESS( ads_state) - A/D 采样控制状态机 BEGIN CASE ads_state IS WHEN sta0 = ADck ADck=0; lock=0; dclk=1; 接下页,next_ads_state ADck 0); ELSIF lockEVENT AND lock=1 THE

11、N data = D ; END IF; END PROCESS ; ADoe = 0; end ADCTRL;,9.2 高速A/D采样控制设计,图9-8 A/D转换仿真波形,【例9-3】 - TLC5510 采样控制。 library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; entity adctrl is port( rst : in std_logic; - 复位 clk : in std_logic; - 采样控制 Clock 输入； d : in std_logic_vector(7 downto 0);- 8位A/D数据 ADck : out std_

12、logic; - TLC5510的CLK ADoe : out std_logic; - TLC5510的OE data : out std_logic_vector(7 downto 0);- 8位数据 dclk : out std_logic); end adctrl; architecture logi of adctrl is signal lock : std_logic; begin lock 0); ELSIF lockEVENT AND lock=1 THEN data = D ; END IF; END PROCESS ; ADoe = 0; end logi;,9.3 VG

13、A图像显示控制器设计,对于普通的VGA显示器，其引出线共含5个信号：,R、G、B： 三基色信号,HS： 行同步信号,VS： 场同步信号,对这5个信号的时序驱动，对于VGA显示器要严格遵循“VGA工业标准”，即64048060Hz模式，否则会损害VGA显示器。,9.3 VGA图像显示控制器设计,图9-9 VGA行扫描、场扫描时序示意图,9.3 VGA图像显示控制器设计,VGA工业标准要求的频率：,时钟频率（Clock frequency） ：25.175 MHz （像素输出的频率）,行频（Line frequency）：31469 Hz,场频（Field frequency ） ：59.94 H

14、z （每秒图像刷新频率）,9.3 VGA图像显示控制器设计,VGA工业标准显示模式要求：,行同步、场同步都为负极性，即同步头脉冲要求是负脉冲。,9.3 VGA图像显示控制器设计,图9-10 VGA图像控制器框图,9.3 VGA图像显示控制器设计,图9-11 FPGA模块实体,9.3 VGA图像显示控制器设计,颜色编码如下：,9.4 直接数字合成器（DDS）设计,正弦信号发生器，它的输出可以用下式来描述：,12-4,用基准时钟clk进行抽样，令正弦信号的相位：,12-5,在一个clk周期Tclk，相位的变化量为：,12-6,9.4 直接数字合成器（DDS）设计,为了对进行数字量化，把切割成2N份

15、，由此每个clk周期的相位增量用量化值来表述：,且 为整数,与12-6式联立，可得：,12-7,9.4 直接数字合成器（DDS）设计,信号发生器的输出可描述为：,12-8,其中 指前一个clk周期的相位值，同样得出,12-9,9.4 直接数字合成器（DDS）设计,图9-12 基本DDS结构,【例9-4】 - DDSC： DDS主模块 library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.all; use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.all; use ieee.std_logic_arith.all; library lpm; - Altera LPM

16、use lpm.lpm_components.all; entity ddsc is - DDS主模块 generic( freq_width : integer := 32; - 输入频率字位宽 phase_width : integer := 12; - 输入相位字位宽 adder_width : integer := 32; - 累加器位宽 romad_width : integer := 10; - 正弦ROM表地址位宽 rom_d_width : integer := 10); - 正弦ROM表数据位宽 port( clk : in std_logic; - DDS合成时钟 freq

17、in : in std_logic_vector (freq_width-1 downto 0); - 频率字输入 phasein : in std_logic_vector(phase_width-1 downto 0); - 相位字输入 ddsout : out std_logic_vector(rom_d_width-1 downto 0); - DDS输出 end entity ddsc; 接下页,architecture behave of ddsc is signal acc : std_logic_vector(adder_width-1 downto 0); signal ph

18、aseadd: std_logic_vector(phase_width-1 downto 0); signal romaddr : std_logic_vector(romad_width-1 downto 0); signal freqw : std_logic_vector(freq_width-1 downto 0); signal phasew : std_logic_vector(phase_width-1 downto 0); begin process (clk) begin if(clkevent and clk = 1) then freqw = freqin; - 频率字

19、输入同步 phasew = phasein; - 相位字输入同步 acc = acc + freqw; - 相位累加器 end if; end process; phaseadd = acc(adder_width-1 downto adder_width-phase_width) + phasew; romaddr = phaseadd(phase_width-1 downto phase_width-romad_width); - sinrom i_rom : lpm_rom - LPM_rom调用 接下页,GENERIC MAP ( LPM_WIDTH = rom_d_width, LP

20、M_WIDTHAD = romad_width, LPM_ADDRESS_CONTROL = UNREGISTERED, LPM_OUTDATA = REGISTERED, LPM_FILE = sin_rom.mif )- 指向rom文件 PORT MAP ( outclock = clk,address = romaddr,q = ddsout ); end architecture behave;,下面是产生SIN ROM数据值的C程序： #include #include math.h main() int i;float s; for(i=0;i1024;i+) s = sin(at

21、an(1)*8*i/1024); printf(%d : %d;n,i,(int)(s+1)*1023/2); ,把上述C程序编译成程序后，在DOS命令行下执行： romgen sin_rom.mif;,图9-13 DDS主模块RTL综合结果,基本DDS结构的常用参量计算,(1) DDS的输出频率fout。,12-10,(2) DDS的频率分辨率 。,12-11,(3) DDS的频率输入字 计算。,注意 要取整，有时会有误差。,【例9-5】 - 简易频率合成器 - DDS(32bit频率字,1024 points 10bit out) - For GW48-CK - Mode: No.1 li

22、brary ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity ddsall is port( sysclk : in std_logic; - 系统时钟 ddsout : out std_logic_vector(9 downto 0);- DDS输出 - GW48 接口 sel : in std_logic; - 输入频率字高低16位选择 selok : in std_logic; - 选择好信号 pfsel : in std_logic; - 输入频率、相位选择 - 频率/相位字输入（与sel、selok配合使用） fpin : in std_logic_

23、vector(15 downto 0); end ddsall; architecture behave of ddsall is component ddsc is - DDS主模块 接下页,generic( freq_width : integer := 32; - 输入频率字位宽 phase_width : integer := 12; - 输入相位字位宽 adder_width : integer := 32; - 累加器位宽 romad_width : integer := 10; - 正弦ROM表地址位宽 rom_d_width : integer := 10 - 正弦ROM表数据

24、位宽 ); port( clk : in std_logic; - DDS合成时钟 freqin : in std_logic_vector (freq_width-1 downto 0);- 频率字输入 phasein :in std_logic_vector(phase_width-1 downto 0);- 相位字输入 ddsout :out std_logic_vector(rom_d_width-1 downto 0);- DDS输出 end component ddsc; signal clkcnt : integer range 4 downto 0; - 分频器 signal

25、clk : std_logic; signal freqind : std_logic_vector(31 downto 0); - 频率字 signal phaseind: std_logic_vector(11 downto 0); - 相位字 begin i_ddsc : ddsc - 例化DDSC port map(clk = clk, ddsout = ddsout, phasein = phaseind, freqin = freqind); clk = sysclk; 接下页,process(sysclk) begin - GW48-CK 模式1；频率字的输入 if(sysclk

26、event and sysclk = 1) then if(selok = 1 and pfsel = 0) then if(sel = 1) then freqind(31 downto 16) = fpin; else freqind(15 downto 0) = fpin; end if; elsif(selok = 1 and pfsel = 1) then phaseind = fpin(11 downto 0); end if; end if; end process; end behave;,9.5 使用IP Core设计FIR滤波器,N阶FIR滤波器系统的传递函数：,12-12

27、,图9-14 直接型FIR滤波器结构,N阶的FIR系统差分方程表示为：,12-13,乘法器,加法器,延迟环节,图9-15 直接型FIR实现结构,图9-16 FIR滤波器设计示意,图9-17 FIR Compiler安装,图9-18 设置User Libraries,图9-19 在MegaWizard管理器中选择IP Core,图9-20 FIR滤波器系数确定,图9-21 FIR系数修正,图9-22 FIR模块Symbol,图9-23 firm模块仿真结果,图9-24 FIR滤波器总体连接图,9.6 通用异步收发器（UART）设计,机,设备,图9-25 UART三线连接通信示意,图9-26和图9-27中涉及的UART概念,在信号线上共有两种状态，可分别用逻辑1和逻辑0来区分。,起始位（Start Bit）,数据位（Data Bits）,校验位（parity Bit）,停止位,位时间,帧,波特率,图9-26 基本UART帧格式,图9-27 基本UART帧时序,