数字信号处理的fpga实现(数字信号处理的fpga实现第四版pdf下载)

张工 2022-06-05 20:56:58 阅读:44
  

  电子系统是指一组电子元件或基本电子单元电路相互连接、相互作用而形成的整体电路。它可以根据特定的控制信号执行设想的功能。根据处理的处理信号不同,电子系统可分为模拟电子系统、数字电子系统和数模混合电子系统。FPGA电子系统是数模混合电子系统或数字电子系统。当FPGA完成数字信号处理,外围电路完成模拟信号处理时,FPGA电子系统就是一个数模混合电子系统。当外围电路也完成数字信号处理时,FPGA电子系统就是数字电子系统。

  FPGA电子系统设计的步骤如图1.1所示。接到电子系统任务书后,先分析设计电子系统,画电路图;根据电路图对电子系统进行实验和调试,边实验边修改电子系统设计,直至满足电子系统任务书下达的系统功能和技术指标;然后做一个电路板(即PCB板);然后安装调试电子系统;最后制成合格的成品。

干货分享,FPGA电子系统的设计流程

  图1.1 FPGA电子系统的设计步骤

总体方案确定

  综合分析电子系统任务书下达的系统功能和技术指标后,根据已掌握的知识和数据,将系统总体功能合理分解为若干个子系统(如硬件单元电路和软件设计的功能模块),并绘制出各子系统框图相互联系形成的系统原理框图。总体电子方案的选择直接决定了电子系统设计的质量。在设计整体方案时,要多思考,多分析,多比较。要综合考虑性能稳定、工作可靠、电路简单、成本低、功耗低、调试维护方便,选择最佳方案。

子系统设计

  1. 硬件单元电路设计

  在设计硬件单元电路时,要明确各单元电路的具体要求,详细制定各单元电路的性能指标,仔细考虑各单元电路之间的相互关系,注意前后单元电路之间的信号传输方式和匹配,尽量少用或不用电平转换等接口电路,并考虑尽可能统一各单元电路的电源,使整个电子系统简单可靠。另外,尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能;有时候找不到完全符合要求的现成电路,可以在接近设计要求的电路基础上进行适当改进,或者自己进行创意设计。为了使电子系统体积小、可靠性高,单元电路尽可能由集成电路组成,如集成运算放大器、集成稳压器件、模拟开关、频压转换等。

  在计算硬件单元电路的设计参数时,应根据单元电路的性能指标要求确定单元电路元件的参数。例如,反馈电阻器的值可以根据电压放大来确定。根据振荡器所需的振荡频率,可以利用公式计算出决定振荡频率的电阻和电容值。但一般满足电路性能指标要求的理论参数值并不唯一。设计师要根据元器件的性能、价格、体积、通用性、供货情况灵活选择。计算单元电路参数时,应注意以下几点:

  (1)计算元件的工作电流、电压、功率等参数时,应考虑最不利的工作条件,留有适当的余量。

  (2)部件的极限参数必须留有足够的余量,一般取1.5~2倍额定值。

  (3)对于电阻和电容参数的值,应选择接近计算值的标称值。一般电阻值选在1m以内;非电解电容一般选用100 pf到0.47 f;电解电容一般选择在1 ~ 2000 F范围内.

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  为了满足电子系统的系统功能和技术指标要求,软件设计首先要完成功能模块的设计,如键盘、数字显示、A/D、D/A转换等功能模块。模块设计完成后,可以重复使用,使得设计更加快捷方便。用VHDL语言编写功能模块,用图形输入法将各个功能模块连接起来,下载到FPGA芯片上,再将FPGA芯片与硬件电路连接起来,形成具有一定功能和技术指标的整个FPGA电子系统。

  2. 软件设计

  电子系统的设计就是选择最合适的元器件,并将它们有机地结合起来。在确定电子元器件时,要综合考虑频率范围、环境温度、空间大小、成本等诸多因素。具体表现如下:

  (1)一般集成电路优先。由于集成电路体积小,功能强,可以增强电子系统的可靠性,安装调试方便,可以大大简化电子系统的设计。比如,随着模拟集成技术的不断发展,适用于各种场合的集成运算放大器层出不穷。只要增加少量的元件,就可以用运算放大器组成性能良好的放大器。同样,目前在设计DC稳压电源时,很少使用分立元件进行设计,而代之以性能更稳定、运行更可靠、成本更低的集成稳压器。

  (2)电阻和电容是两种最常见的元件。有很多种,性能差别很大,应用也不一样。因此,设计人员应熟悉各种电阻和电容的主要性能指标和特点,以便根据电路要求正确选择元器件。

  (3)分立半导体元件的选择。首先要熟悉它们的性能,掌握它们的适用范围。根据电路的功能要求和电路中元件的工作条件,如最大电流、最大反向工作电压、最大工作频率、最大消耗功率等。

定元器件型号。

  4. 计算机模拟仿真

  随着计算机技术的飞速发展,电子系统的设计方法发生了很大变化。目前,EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)技术已成为现代电子系统设计的必要手段。在计算机平台上,利用EDA软件,可对各种电子电路进行调试、测量、修改,这样大大提高了电子设计的效果和精确度,同时节约了设计费用。

  5. 实验调试

  电子系统设计要考虑的因素和问题很多,由于电路在计算机上进行模拟时所采用的元器件参数和模型与实际器件有差别,所以对经计算机仿真过的电路,还要进行实际实验。通过实验可以发现问题、解决问题。若性能指标达不到要求,应深入分析问题出在哪些单元电路或软件设计的模块上,再对它们重新设计和选择,直到完全达到性能指标为止。

  6. 绘总体电路图

  总体电路图是在总框图、单元电路设计、软件设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的,它是组装、调试、印刷电路板设计和维修的依据。目前绘电路图一般是利用绘图软件在计算机上完成。绘制电路图时主要注意以下几点:

  (1)总体电路图尽可能画在同一张图上;注意信号的流向,一般从输入端画起,由左向右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路;对于电路图比较复杂的,应将主电路图画在一张或数张图纸上,并在各图所有端口两端标注上标号,依次说明各图纸之间的连线关系。

  (2)注意总体电路图的紧凑和协调,要求布局合理、排列均匀。图中元器件的符号应标准化,元件符号旁边应标出型号和参数。集成电路通常用方框表示,在方框内标出它的型号,在方框的两侧标出每根连线的功能和引脚号。

  (3)连线一般画成水平线或垂直线,并尽可能减少交叉和拐弯。对于相互交叉的线,应在交叉处用圆点标出。对于连接电源负极的连线,一般用接地符号表示;对于连接电源正极的连线,仅需标出电压值。

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