毕业设计--FPGA的低频数字相位设计

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1、 1 1 引言 本设计采用单片机和 FPGA 相结合的电路实现方案。考虑到 FPGA 具有集成度高，I/O 资源丰富，稳定可靠，可现场在线编程等优点，而单片机具有很好的人机接口和运算控制 功能，所以采用 FPGA 和单片机相结合，构成整个系统的测控主体。 自 1985 年 Xilinx 公司推出第一片现场可编程逻辑阵列(FPGA)至今， FPGA 已经成为当 今电子设计应用市场上首选的可编程逻辑器件之一。从航空航天到数字信号处理，再到汽 车家电等消费领域，无处不见 FPGA 的身影。而且，随着微电子等工艺的进步，FPGA 器件 本身的性能逐年在提高，使得 FPGA 器件与其他同类器件相比更有竞

2、争力。 在这个各类电子设计器件百花齐放的时代， 广大消费者需要对这些电子设计器件有个 更深入地了解，从而为自己的科研学习或工业生产挑选到既能满足各项性能指标要求，又 经济实惠的合适的电子设计器件。因此，进行 FPGA 器件的应用研究并进行各类电子设计 产品的性能优势对比分析是一项很有价值和实际意义的工作。 随着 EDA 技术的高速发展，电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化，大规模可 编程逻辑器件 FPGA 的出现，给设计人员带来了诸多方便。利用它进行产品开发，不仅成 本低、周期短、可靠性高，而且可以随时在系统中修改其逻辑功能。FPGA 器件的成本越来 越低， Actel 公司发布第三代的基

3、于 Flash 的可编程逻辑方案。 这些新的 FPGA 芯片最低价 将达到 1.5 美元， 代表了全球最低成本的 FPGA， 并且相对于基于 SRAM 的 FPGA 来说具有保 密的优势。基于 Flash 的 FPGA 可以提供加密、低功耗、上电工作、可重复编程的方案。 目前生产 FPGA 的公司主要有 Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic 等， 生产的 FPGA 品种和型号繁多。尽管这些 FPGA 的具体结构和性能指标各有特色，但它们 都有 一个共同之处，即由逻辑功能块排成阵列，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功 能块，从而实现不同的设计。 典型的 F

4、PGA 通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入/输出块和可 编程互连资源。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规 则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入/输出块完成芯片内部逻辑与外部 管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互连资源包括各种长度的连线 线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来，构成特 定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系，从而实现 2 所需的逻辑功能。不同厂家或不同型号的 FPGA，在可编程逻辑块的内部结构、规模、内 部互连的结构等方面经常存在较大的差异。 除了上

5、述构成 FPGA 基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用系统需求的发 展，一般在 FPGA 中还可能包含以下可选资源：存储器资源（块 RAM、分布式 RAM） ； 数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟、时钟锁定） ；算数运算单元（高速硬件乘法 器、乘加器） ；多电平标准兼容的 I/O 接口；高速串行 I/O 接口；特殊功能模块（以太网 MAC 等硬 IP 核） ；微处理器（PowerPC405 等硬处理器 IP 核） 。下面介绍两种 FPGA 的一般 结构。 第一种包括 5 个可配置部分： （1）可配置逻辑块，用于实现大部分逻辑功能； （2）在可配置逻辑块的四周分布着可编程的输入输出块

6、（Input/Output Blocks） ，提供 封装引脚与内部逻辑之间的连接接口； （3）丰富的多层互连结构的可编程连线； （4）片上的随机存取块状 RAM； （5）全数字式延迟锁相环（DLL）时钟控制块，与每个全局时钟输入缓冲器相连，该闭 环系统确保时钟边沿到达内部触发器与其到达输入引脚同步，有效地消除时钟分配的延 迟。 另一种 FPGA 器件主要包括： （1）逻辑阵列，由多个逻辑阵列块（Logic Array Blocks）排列而成，用于实现大部分 逻辑功能； （2）在芯片四周分布着可编程的输入输出单元（Input/Output Elements） ，提供封装引 脚与内部逻辑之间的连接接口； （3）丰富的多层互连结构的可编程连线； （4）片上的随机存取块状 RAM； （5）锁相环（PLL） ，用于时钟的锁定与同步、能够实现时钟的倍频和分频； （6）高速的硬件乘法器，有助于实现高性能的 DSP 功能。 目前绝大部分 FPGA 都采用查找表技术，最基本逻辑单元都是由 LUT 和触发器组成的。查 找表简称为 LUT，本质上就是一个 RAM。目前 FPGA 中多使用 4 输入的 L