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解读FPGA,分析最小系统电路如何设计? 评论(0) 收藏(0
所属分类:基础电路 模拟电路
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        FPGA是英文Field Programmable Gate Array 的缩写,即现场可编程门阵列。FPGA利用它的现场可编程特性,将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,缩小体积,缩短系统研制周期,方便系统升级,具有容量大、逻辑功能强,提高系统的稳定性的同时兼有高速、高可靠性。可以在数字系统设计中完全由用户通过软件进行配置和编程,从而完成某种特定的功能。要研究的是Altera 公司推出的一款FLEX10K 系列芯片,通过学习该芯片的工作原理和使用特性,设计一个基于FLEX10K 芯片的最小系统,通过对该最小系统的设计让大家能够更好的了解FPGA,并对其产生浓厚的兴趣,为更多想要了解学习FPGA 的人们做个很好的开头。

复位和晶振电路原理图设计
一个芯片,尤其是可编程芯片,通常在上电的瞬间需要一个短暂的时间进行内部参数的初始化,这个时候芯片无法立即进入工作状态。通常称上电初始化这些工作为复位,完成这个功能的电路称之为复位电路。本FPGA 芯片使用的是低电平复位,支持上电复位和手动复位,RESET 按下之后产生低电平。

图4-2 复位电路原理图设计
晶振是为电路提供频率基准的元器件,通常分成有源晶振和无源晶振两个大类,无源晶振需要芯片内部有振荡器,并且晶振的信号电压根据起振电路而定,允许不同的电压,但无源晶振通常信号质量和精度较差,需要精确匹配外围电路(电感、电容、电阻等),如需更换晶振时要同时更换外围的电路。有源晶振不需要芯片的内部振荡器,可以提供高精度的频率基准,信号质量也较无源晶振要好。本FPGA 芯片采用50MHZ 的有源贴片晶振作为芯片工作的时钟输入(图4-3)。

图4-3 晶振电路原理图设计

蜂鸣器电路原理图设计
电路很简单,需要说明的是开发板上使用的是高品质的蜂鸣器,需要脉冲控制其发声。电路图中的晶体管当作开关来使用,当I/O 提供的驱动能力不够的时候,晶体管能增强驱动能力。低电平有效(图4-4)。

图4-4 蜂鸣器电路原理图设计

开关电路原理图设计
最小系统板上使用的四腿按键实际上是分两组,每组中的两个是相通的,而两组直接是通过上面的按钮来控制通断状态的。简单理解成开关就可以了,按下去两端就形成短路,松开手就形成开路。短路相当于输入0,开路为1。另外需要说明的是,由于按键属于机械开关,按动过程不可避免存在抖动的现象,所以用户按下按键的时间可以稍微长一点(图4-5)。


图4-5 按键开关电路原理图设计

拨码开关就是相当与一个开关量,拨到ON 就表示接通,OFF 就是断开,在数字电路中对 0、1,通常用于二进制输入。本课题最小系统板使用八位拨码开关作为一个字节的输入,拨到ON 时相当于输入“1”,默认输入“0”(图4-6)。

图4-6 八位拨码开关电路原理图设计

JTAG 模式配置电路原理图设计
最小系统采用的FPGA 是Altera 公司的FLEX10K10 芯片,所以配置的PROM 选用的型号为EPC2LC20N,是20 脚的PLCC 封装,上拉电阻R4 是1K,其余的上拉电阻均是5K,TDI、TCK、TMS 和TDO 分别于JTAG 标准接口相连,完成配置电路的设计(图4-13)。

图4-13 JTAG 模式配置电路原理图设计

D 型并口下载线电路原理图设计
此下载线是由一个D 型25 针的并口与计算机相连接,10 针的一端与电路板相连接,数据的下载通过计算机直接配置,此下载线可以支持2.5V、3.3V 及5.0V 电压的下载模式,是一种可以通用型的下载线(图4-15)。

图4-15 D 型并口下载线电路原理图设计

最小系统电路设计的总体电路原理图
使用AlTIum 软件设计的电路原理图,FPGA 最小系统板包括时钟电路、复位电路、电源电路、JATG 电路、PROM 配置电路、显示模块电路、开关电路以及各种接口电路(图4-16)。

图4-16 最小系统电路设计的总体电路原理图


 


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