畢業(yè)論文——數(shù)字集成電路

1、11引言當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，也是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。而數(shù)字集成電路本身也在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代，不斷的進(jìn)步創(chuàng)新。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路，發(fā)展到超大規(guī)模集成電路（VLSIC，幾萬(wàn)門以上）以及具有許多特定功能的專用集成電路（ASIC）。并且在現(xiàn)代高新電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，數(shù)字集成電路技術(shù)和現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)是相互促進(jìn)、相互推動(dòng)又相互制約的兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。前者的進(jìn)步就表現(xiàn)在大規(guī)模集成電路加工技術(shù)，即半導(dǎo)體工藝技術(shù)的

2、發(fā)展上；而后者的核心則是EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)，它使得設(shè)計(jì)者的工作僅限于軟件的方式，即利用硬件描述語(yǔ)言（本文只涉及到VHDL硬件描述語(yǔ)言）和EDA軟件來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)，避免了硬件電路在搭接時(shí)所出現(xiàn)的問(wèn)題。1.1ASIC技術(shù)促使可編程邏輯器件發(fā)展隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已經(jīng)不再由某個(gè)大規(guī)模的生產(chǎn)廠商來(lái)獨(dú)自承擔(dān)了，更甚至于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們都愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的設(shè)計(jì)周期

3、盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中。也就是這種現(xiàn)場(chǎng)可用的思想促成了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPLD）的出現(xiàn)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）了［１］~［２］。對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在以前的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，設(shè)計(jì)某個(gè)電子控制系統(tǒng)大多數(shù)情況下是用指令少、功能單一的單片機(jī)，但是用其開(kāi)發(fā)出來(lái)的硬件系統(tǒng)及其電路結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜、成本高、經(jīng)常容易發(fā)生電路方面的故障

4、，并且由于系統(tǒng)是針對(duì)某一個(gè)特定的功能而設(shè)計(jì)的，對(duì)今后系統(tǒng)的升級(jí)和功能擴(kuò)展都非常困難。顯然這樣的單片機(jī)在某種程度上已經(jīng)不能再滿足設(shè)計(jì)要求了。而CPLD（或FPGA）芯片作為一種新興的設(shè)計(jì)器件，在技術(shù)上與單片機(jī)相比有很多優(yōu)勢(shì)，光說(shuō)其實(shí)現(xiàn)的工藝就有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)等。實(shí)現(xiàn)了電可擦除、電可改寫和紫外線擦除，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性。這些PLD器件的一個(gè)共同特點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)速度特性

5、較好的邏輯功能，可見(jiàn)用這種CPLD芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，只需要增加少量的外圍電路，并結(jié)合可控制它的豐富的指令集合，就可以獲得功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。又由于這種芯片內(nèi)含有可下載程序固定接口和EEPROM、Flash。因此，開(kāi)發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)具有可升級(jí)性(內(nèi)部程序可擦除，進(jìn)行重新燒寫)，用戶可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，既可以縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，又可以減少開(kāi)資。利用EDA技術(shù)（CPLDFPGA）進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，是完成專用集成電路ASIC的設(shè)

6、計(jì)和實(shí)現(xiàn)，而在電子科技高速發(fā)展的當(dāng)今，再加上上述CPLDFPGA（復(fù)雜可編程邏輯器件現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的各種優(yōu)點(diǎn)，它以成為實(shí)現(xiàn)這一途徑的主流器件。其特點(diǎn)是直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測(cè)試3多，而在所有信息的采集途徑中，用的最普遍、最基礎(chǔ)的，就是傳感器。如果把電子計(jì)算機(jī)比作人的“大腦”那么傳感器則酷似人的“五官”（視覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)）了。其重要性則可一目了然，不過(guò)對(duì)傳感器的要求可要比人的五官的要求高得多

7、，并且傳感器的種類也在日益增多，涉及到的范圍也日益變廣。如AD公司生產(chǎn)的模擬電壓輸出型的溫度傳感器TMP353637，它主要應(yīng)用于環(huán)境控制系統(tǒng)、過(guò)熱保護(hù)、工業(yè)過(guò)程控制、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電源系統(tǒng)監(jiān)控以及儀器散熱風(fēng)扇的控制等。還有NATIONALSEMICONDUCT生產(chǎn)的與微處理器相結(jié)合的測(cè)溫及溫度控制、管理的溫度測(cè)量控制器LM80，它主要應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)及服務(wù)器的硬件及系統(tǒng)的溫度監(jiān)控、辦公室設(shè)備、電子測(cè)試設(shè)備等。以及MAXIN公司生產(chǎn)的主

8、要應(yīng)用于CPU冷卻控制的PWM風(fēng)扇控制器及遙控溫度傳感器MAX1669。因此，測(cè)量外界溫度的方法有很多種，然而，由于熱敏電阻及其放大電路受到環(huán)境的影響，在不同的條件下會(huì)出現(xiàn)不同的測(cè)溫偏差，而TMP353637，LM80，MAX1669這些傳感器的造價(jià)又太高，在相同條件下，由于測(cè)溫精度、處理精度等多方面的因素，不同的通道也會(huì)出現(xiàn)不同的偏差，因此必須采用一種靈活的修正方式，這便用到了電壓型的溫度傳感器LM35D。它的線性好（10mV℃），寬

9、量程（0100℃），精度高（0.4℃），低成本，而且采集到的是電壓型信號(hào)，易于處理，使得電路簡(jiǎn)單實(shí)用［3］。如上所述，本課題的設(shè)計(jì)就是利用溫度傳感器LM35D來(lái)采集溫度信號(hào)的，隨后將采集到的微弱模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器OP07放大十倍后送入AD轉(zhuǎn)換器（ADC0804），將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再傳給CPLD芯片（這里用到的型號(hào)是EP1K100QC2083），即該系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（VHDL）編程進(jìn)行信號(hào)處理，然后經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置好

10、的端口將數(shù)字信號(hào)傳送給74LS138譯碼器以及驅(qū)動(dòng)器CD4511和報(bào)警器，使LED八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示室溫和實(shí)現(xiàn)報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，用該方法對(duì)0℃100℃范圍的溫度測(cè)量時(shí)，測(cè)量誤差為0.4℃，可靠性好、抗干擾性能強(qiáng)。采用CPLD芯片作為核心監(jiān)控器對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量，這樣，既可以降低對(duì)溫度傳感器和放大電路的要求，從而降低成本，又可以針對(duì)不同外部環(huán)境或不同通道對(duì)溫度顯示的顯示監(jiān)控設(shè)定進(jìn)行靈活修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)。2.2課題總體要求(1)利用電壓