CPLD實驗板Word版

1、實驗電路板的設計太原理工大學自動化系 夏路易自己設計制作實驗板是非常有意思的事情。第一部分 實驗板方案選擇（一）目前的數字電路實驗隨著數字電子技術的發(fā)展，對數字電路的教學要求也越來越高，不僅要求同學們學會一般數字電路的原理，而且要求同學們能用中小規(guī)模數字電路設計一定復雜程度的數字系統(tǒng)。數字電路的實驗也應該配合教材，從驗證性實驗向設計性實驗發(fā)展，滿足培養(yǎng)21世紀人才的要求。但是，目前的各種數字電路實驗裝置不能滿足教學要求，采用這些裝置進行數字電路實驗有如下缺點：1為滿足各種實驗，需要種類繁多的數字集成電路，增加了實驗費用和管理的難度，若是由于經費問題未購得所需的數字集成器件，則不能開設需要該器件

2、的實驗。2實驗電路連線復雜，集成電路好壞難辮，經常導致實驗的失敗，并損壞實驗電路或實驗裝置。3實驗中，數字集成電路器件經常損壞嚴重，導致實驗費用增加。4因為一個課程設計題目所需器件的種類多并且連線復雜，所以進行數字電路課程設計很困難。5中小規(guī)模集成電路在數字系統(tǒng)設計中已經很少使用，學生在學校不能學到新的數字系統(tǒng)的設計方法（二）基于可編程邏輯器件的數字電路實驗可編程邏輯器件是一種可以通過編程，改變系統(tǒng)連線，達到系統(tǒng)重構的器件，該器件可以現場編程，就是說當該器件安裝到電路板上后，可以對它的功能進行重新設置，這樣就可以非常方便的進行數字系統(tǒng)的設計與制作。由于可編程邏輯器件的價格不斷降低，門密度不斷增

3、大，所以該器件取代中小規(guī)模數字集成電路只是時間問題?？删幊踢壿嬈骷菙底窒到y(tǒng)設計中的首選器件，它增加系統(tǒng)可靠性、減少系統(tǒng)體積和功耗、縮短設計周期并降低系統(tǒng)成本，由于它的工作速度快，所以在數字信號處理、自動控制、計算機接口板等方面應用非常廣泛?？删幊踢壿嬈骷糜跀底蛛娐穼嶒炗腥缦绿攸c：1設計方法先進在計算機上輸入數字電路原理圖或用硬件描述語言描述數字電路，經過編譯，然后將編譯后的數據文件下載到可編程邏輯器件中是目前最流行的數字電路設計方法。0 / 312一片可編程器件可以完成各種數字電路實驗可編程器件中有大量的門電路和觸發(fā)器，通過編程可以連接成各種中小規(guī)模的數字電路，特別是與可編程邏輯器件配套的

4、軟件中具備有宏單元庫，這些宏單元的功能同74系列數字電路的功能相同，使用這些宏單元做實驗，就相當于使用74系列的數字電路做實驗。3節(jié)省實驗費用 在系統(tǒng)（isp）可編程器件的編程次數為10000次，而一片可編程芯片的價格為50元左右（isp 1016），平均每次編程的費用為0.005元，可見之便宜。4實驗管理簡單 實驗室中只需要購買一種器件就可以滿足各種實驗需要。5實驗中沒有連線由于實驗板上已經將可編程邏輯器件的引腳預先連接了七段顯示器、發(fā)光二極管、開關和按鈕等元件，所以在實驗時，只需要在計算機上進行引腳鎖定就可以進行實驗。6可以進行復雜的數字系統(tǒng)實驗在一片2000門密度的可編程邏輯器件上，可以

5、設計出交通燈、頻率計、數字鐘、數字秒表、洗衣機控制器等數字電路，完全滿足數字電路課程設計的需要（三）實驗板的功能這個實驗板可以做如下實驗：1可以進行運算器（加、減、乘和除法）、比較器、譯碼器、編碼器、選擇器、分配器和一般組合電路的實驗2可以進行觸發(fā)器、寄存器、計數器和一般時序電路的實驗3可以進行頻率計電路、時鐘電路、計時電路、交通燈等復雜數字系統(tǒng)的實驗4加擴展板可以進行A/D、D/A、串行E2ROM和8031單片機等方面的實驗這個實驗板的電路和下載電纜電路是公開的，板上元件數值一目了然，實驗板上管腳說明和文字標記清楚，管腳和外圍元件之間的連接關系可以從實驗板上直接看到，而不必要查看實驗指導書或

6、有關資料。這個實驗板的連線是固定的，不允許另外連線，這一點在教學上非常重要，試想，幾十個學生等著教師檢查電路的情況！ 特別是當電路復雜的時候。若是誤將輸入端定義成輸出端而損壞了器件，就更得不償失了。這個實驗板跳線應該最少，只要一看，就知道跳線如何使用。這個實驗板盡量不使用可編程器件的復用管腳，減少使用的復雜程度。為滿足教學要求，這個實驗板的可編程邏輯器件的程序下載次數應該超過10000次，并且斷電數據不丟失。這個實驗板應該具有時鐘發(fā)生電路、穩(wěn)壓電源電路、下載電路、具有數據輸入開關和按鈕、具有發(fā)光管、數碼管和蜂鳴器。這個實驗板上應該有可編程邏輯器件的保護電路，即使將輸入引腳鎖定成輸出引腳也不會損

7、壞可編程器件。這個實驗板上的主要元件應該容易更換。這個實驗板的價格應該低廉。（四）可編程邏輯器件的選擇目前，很多學校和公司都開發(fā)了可編程邏輯器件實驗板，這些實驗板上采用了如下幾個公司的產品： Xilinx 公司 主要產品為FPGA和CPLD，目前各學校和公司制做實驗板的常用芯片為FPGA 4000系列，Spartan XCS05和XC95108系列CPLD。Littice 公司 該公司已經和AMD公司合并，該公司生產GAL和CPLD產品，目前各學校和各公司制作實驗板的常用芯片為ISP1016和可編程開關GDS14.。AMD 公司 該公司生產MACH系列產品，常用芯片為MACH4-128和MAC

8、H211SP-15JC。Altera 公司 該公司生產FPGA和EPLD，常用芯片為EPLD7000系列產品7128和FPGA10K系列產品10K10選擇哪一個公司的產品呢？這取決于軟件開放程度、芯片價格和使用的方便性。特別是在教學中使用，不開放的軟件版本是不能用的，首先是價格高，其次是安裝不方便。目前軟件功能最全的Xilinx公司的Fundation Express，但是開放的版本只支持電路圖輸入，而且該軟件操作復雜，不宜在教學中使用。Altera公司的MAXplus軟件也很好用，使用簡單，支持VHDL 語言，但是該軟件的開放版本支持芯片太少，其中支持的芯片7128，不僅價格高而且只能下載1

9、00次。Lattice 公司的軟件isp Expert System 7.0 支持ABEL-HDL語言，可以從互連網上申請與硬盤系列號配套的使用許可證，若是教學用計算機的硬盤容量一致，則可以通過硬盤對硬盤的復制方法，使多臺計算機上同時使用該軟件，該軟件界面友好，操作簡單，適合初學者使用。該公司的產品isp 1016具有2000門的密度，可以下載10000次，價格便宜（頻率低的產品只要40-50元左右），可以滿足教學要求。第二部分 實驗板原理圖設計（一）熟悉1016E芯片技術資料，設計實驗板原理電路（1）1016E的輸入輸出電平兼容TTL電路（2）1016E的拉電流負載4mA，灌電流負載8mA（

10、3）電源電壓5V（4）管腳安排管腳名稱PLCC封裝說明I/O0-I/O315,16,17,18Isp芯片的輸入/輸出引腳I/O4-I/O719.20.21.22I/O8-I/O1125.26.27.28I/O12-I/O1529.30.31.32I/O16-I/O1937,38,39,40I/O20-I/O2341,42,43,44I/O24-I/O273,4,5,6I/O28-I/O317,8,9,10GOE0/in3 2雙功能引腳，既是輸出使能端，又是專用輸入引腳IspEN/NC13專用下載控制引腳，該引腳為低電平時進行下載操作，使MODE,SDI,SDO,SCLK信號起作用SDI/IN0

11、14該引腳為雙功能引腳，當IspEN為低電平時，該引腳為下載數據輸入端，否則為專用輸入信號。MODE/IN236該引腳為雙功能引腳，當IspEN為低電平時，該引腳控制Isp芯片狀態(tài)機的操作，否則為專用輸入信號。SDO/IN124該引腳為雙功能引腳，當IspEN為低電平時，該引腳為Isp芯片數據的讀出端，否則為專用輸入信號。SCLK/Y233該引腳為雙功能引腳，當IspEN為低電平時，該引腳為下載時鐘信號端，否則為專用時鐘信號。Y011專用時鐘信號，只能連接到觸發(fā)器的時鐘端Y1/RESET35該引腳為雙功能引腳，通常作為Isp芯片的復位信號，經過編程可以將該引腳定義為時鐘信號端GND1，23地線

12、端VCC12，34電源線端其中：可以隨意鎖定成輸入輸出的管腳32個，復用管腳7個，專用引腳一個，電源地線管腳4個。IspEN/NC 該引腳為低電平時芯片進入編程狀態(tài)，為高電平時芯片進入工作狀態(tài)，該引腳由下載軟件控制。SDI/IN0該引腳在編程狀態(tài)時是編程數據輸入端，在工作狀態(tài)時是輸入引腳。MODE/IN2 該引腳在編程狀態(tài)時是編程模式控制端，在工作狀態(tài)時是輸入引腳。SCLK/Y2該引腳在編程狀態(tài)時是編程時鐘端，在工作狀態(tài)時是通用時鐘輸入引腳。SDO/IN1該引腳在編程狀態(tài)時是編程數據輸出端，在工作狀態(tài)時是輸入引腳。以上復用管腳最好只用做編程，因為要使用這些管腳的工作狀態(tài)，需要將這些管腳與計算機

13、的并行口斷開，或使用分配器進行引腳復用。GOE0/in3該引腳在編程狀態(tài)時是輸出使能控制端，在工作狀態(tài)時是一個輸入引腳，一般該管腳用做輸入管腳。Y0 專用時鐘輸入端，該端只能連接到觸發(fā)器的時鐘端。Y1/RESET 該引腳是復用引腳，在適配設計時，可以定義該管腳具有通用時鐘輸入或復位功能。當前功能是復位功能，為簡化實驗板設計，該引腳只用做復位端。地線和電源 電源和地線一共四根，一定要將他們都連接到電源和地線上。（二）信號輸入開關和按鈕在數字電路的實驗中，經常需要向數字電路輸入高低電平信號或脈沖信號，這些信號需要開關和按鈕形成。開關的數量應該選擇8個，因為進行4位加法、減法、比較、乘法和除法運算電

14、路實驗時必須有8個開關。按鈕的數量為3個，當然是越多越好，但是，考慮到管腳的數量，只能有三個。開關和按鈕電路應該有保護電路，這是因為若連接開關和按鈕的引腳被鎖定成輸出引腳，就有被開關和按鈕短路的危險，一旦短路就有可能燒毀芯片，保護電路如下：開關選用一般的單刀雙擲鈕子開關，按鈕選擇歐姆龍公司的小型按鈕。（三）輸出信號顯示電路數字電路的輸出信號是電平信號和數字信號。一般使用發(fā)光二極管顯示電平信號，為滿足某些實驗（報警等），也可以使用蜂鳴器顯示電平信號。而一般使用七段顯示器顯示數字信號，七段顯示器的連接方式很多，為簡化實驗板設計和充分利用可編程邏輯器件，可以選擇直接推動式。由于可供使用的管腳只有22

15、個，所以選擇3個七段數碼管、8個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器，其中7個發(fā)光管和一個數碼管共用7個管腳，一個發(fā)光管和蜂鳴器共用一個管腳，因為1016芯片的灌電流負載能力大，所以數碼管選用共陽極，考慮到PCB板的尺寸，數碼管大小選0.5寸的，數碼管的電流一般不大于30mA,考慮到1016芯片的負載能力，電流應該小于8mA。這里的電流為 (5v-1.8)/0.68=4.7mA數碼管的管腳排列各種各樣，這里選擇的數碼管管腳排列為：數碼管管腳面觀察到的管腳排列圖數碼管的連接圖選擇3 毫米直徑的發(fā)光二極管，采用灌電流接法，電流與數碼管相同，顏色為紅、黃和綠。發(fā)光管和的連接圖由于蜂鳴器所需的推動電流較大，所以使用

16、三極管推動，這里選擇塑封9013 三極管，基極電阻選為3k。蜂鳴器連接圖綜合上述的電路圖如下：1016外圍電路連接圖（四）穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源電路如下：二極管選用1N4001，電容選擇100uF/50V，7805應該加散熱器。電源輸入端應該加開關，還應該加電源指示燈。（五）時鐘電路電路主要由CMOS電路4060 和石英晶體組成，輸出最低2Hz的信號。 振蕩器原理圖電容采用51P的瓷片電容，晶體的頻率為32768。（六）下載電路下載電路與計算機和1016芯片之間的關系見下圖：計算機、電纜、下載電路和1016芯片之間的關系圖下載電路采用74HC367芯片，若干電容，電阻和接插件組成。下載電路原理接

17、線圖下載電纜：使用9芯插頭連接下載電路，使用25芯插頭連接計算機并行口，電纜采用排子線。見圖：電纜線連接圖（七）設計PCB板時應該注意的問題：（1）1016芯片的PLCC管座1016的封裝形式為PLCC，PLCC管腳和管座引腳之間的關系見下圖：（2）電阻采用1/4瓦就可以滿足功率要求（3）在4060，74HC367和1016芯片附近的電源和地線之間并接一個0.1微法的獨石電容，抑制電源干擾。（4）在絲網漏印層將1016管腳和開關、按鈕、數碼管、發(fā)光管和蜂鳴器的元件的連接關系標記清楚。（5）電源輸入端應該安裝和電源適配器連接的接插件，以及和電池連接的連接器（6）部分1016引腳應該連接到連接器，

18、便于和擴展板連接（7）單獨安裝一個具有連接器的發(fā)光二極管用于測量電平。（8）數碼管、集成電路不直接焊接，而是采用插接式安裝。（八）元件的焊接（1）元件在焊接前應該正確安裝到PCB板上，仔細檢查元件型號、第一腳標記、方向、極性、電阻的阻值、電容的容量等項內容，否則一旦焊接，就很難拆裝。（2）應該首先焊接高度低的元件。（3）焊接時間不能太長，否則會損傷PCB板和元件。（九）實驗板元件列表序號名稱數量140601274HC367139013147805151N400156共陽數碼管（0.5寸）37發(fā)光二極管（紅）（3mm)68發(fā)光二極管（黃）(3mm)39發(fā)光二極管（綠）(3mm)310電阻徘（68

19、0x8)9腿111電阻徘（10Kx4)5腿312電阻(100)413電阻(680)2514電阻（1K)2215電阻（3.3K)116電阻（10K)117電阻（22K)118電阻（10M)119電容（51P)220電容（560P)421電容（0.1u)322電容（100u)223扭子開關924按鈕（歐姆龍)425PLCC 44插座126DIP16插座227DIP32插座12825芯公插頭1299芯插座（針）（90度）1309芯母插頭131電源插座132蜂鳴器133晶振（32768）134散熱器（7805）135跳線1736跳線連接器3376線拐角接插件2382線拐角接插件1392線接插件240排

20、子線（9x1.5m）141支架螺栓442M3螺釘143電源適配器（7.5-9V）144isp 1016LJ80145PCB板（19.4x9.34(cm)）1（十）實驗工具和材料（1）電烙鐵（2）吸錫器（3）尖嘴鉗（4）斜口鉗（5）鑷子（6）萬用表（7）改錐（8）松香（9）焊錫絲第三部分 設計實驗板擴展電路為增加實驗板的功能，需要設計如下實驗板擴展電路，（一）A/D轉換其電路為能進行A/D轉換器的實驗，特為該實驗板設計了A/D轉換器電路板，板上采用了ADC0804芯片，A/D轉換器原理圖如下。A/D轉換器原理圖（2）串行E2PROM存儲器擴展板為配合做存儲器實驗，設計了串行E2PROM存儲器的實

21、驗板，該板采用了Atmel 公司的芯片AT93C46，串行E2PROM存儲器與1016E的接線原理圖見圖1.25。 串行E2PROM存儲器與1016E的接線原理圖AT93C46的特征AT93C46的引腳見圖1.26。圖1.26 AT93C46的引腳圖引腳說明：AT93C46的內部功能方框圖見下圖。 AT93C46的內部功能方框圖AT93C46的命令說明寫數據時，應該先運行寫使能命令，然后再運行寫數據命令，寫使能命令一旦運行一直有效，直到寫禁止命令或斷電，讀數據時無此限制。讀數據時間圖：寫使能時間圖：寫數據時間圖（3）8031擴展板31單片機與1016的連接圖：1016內需要下載如下電路：其中的

22、宏單元電路如下：ABEL-HDL語言模塊用于書寫單片機程序。ABEL-HDL語言模塊：該模塊的內容為交通燈控制，其中D7.D0為存儲器地址，b7.b0為存儲器輸出數據，用8031的機器碼書寫。MODULE jiaotTITLE 'test'D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0 PIN ;b7,b6,b5,b4,b3,b2,b1,b0 PIN ISTYPE'COM'bcd=D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0;shuchu=b7.b0;equationswhen bcd=h00 then shuchu=h75;when bcd=h01 then

23、 shuchu=h90;when bcd=h02 then shuchu=hf3;when bcd=h03 then shuchu=h7f;when bcd=h04 then shuchu=h19;when bcd=h05 then shuchu=h12;when bcd=h06 then shuchu=h00;when bcd=h07 then shuchu=h2a;when bcd=h08 then shuchu=hdf;when bcd=h09 then shuchu=hfb;when bcd=h0a then shuchu=h75;when bcd=h0b then shuchu=h9

24、0;when bcd=h0c then shuchu=hf5;when bcd=h0d then shuchu=h7f;when bcd=h0e then shuchu=h05;when bcd=h0f then shuchu=h12;when bcd=h10 then shuchu=h00;when bcd=h11 then shuchu=h2a;when bcd=h12 then shuchu=hdf;when bcd=h13 then shuchu=hfb;when bcd=h14 then shuchu=h75;when bcd=h15 then shuchu=h90;when bcd

25、=h16 then shuchu=hde;when bcd=h17 then shuchu=h7f;when bcd=h18 then shuchu=h19;when bcd=h19 then shuchu=h12;when bcd=h1a then shuchu=h00;when bcd=h1b then shuchu=h2a;when bcd=h1c then shuchu=hdf;when bcd=h1d then shuchu=hfb;when bcd=h1e then shuchu=h75;when bcd=h1f then shuchu=h90;when bcd=h20 then

26、shuchu=hee;when bcd=h21 then shuchu=h7f;when bcd=h22 then shuchu=h05;when bcd=h23 then shuchu=h12;when bcd=h24 then shuchu=h00;when bcd=h25 then shuchu=h2a;when bcd=h26 then shuchu=hdf;when bcd=h27 then shuchu=hfb;when bcd=h28 then shuchu=h01;when bcd=h29 then shuchu=h00;when bcd=h2a then shuchu=h7b

27、;when bcd=h2b then shuchu=hff;when bcd=h2c then shuchu=h7a;when bcd=h2d then shuchu=h02;when bcd=h2e then shuchu=h7c;when bcd=h2f then shuchu=hff;when bcd=h30 then shuchu=hdc;when bcd=h31 then shuchu=hfe;when bcd=h32 then shuchu=hda;when bcd=h33 then shuchu=hfa;when bcd=h34 then shuchu=hdb;when bcd=

28、h35 then shuchu=hf6;when bcd=h36 then shuchu=h22;END （四） 與實驗板配套的繼電器板在順序控制實驗中，經常需要控制燈泡、電機、模型汽車、模型推土機等，這就需要繼電器控制。為此開發(fā)了繼電器板，該板可以方便的與1016實驗板連接。實驗板由8個繼電器組成，采用小型繼電器，電路圖見圖1.38。圖1.38 繼電器板電路第四部分 其它（一） Lattice芯片1032E 1032E具有比1016E更多的資源，可以開發(fā)更大的數字系統(tǒng)。該芯片具有以下特點：6000個PLD門64個輸入/輸出192個寄存器其它指標同1016E。該芯片PLCC封裝的管腳安排見圖1.29。圖1.39 1032E芯片管腳圖（PLCC）（二）實驗板詳細電路 自己做一個可編程邏輯器件實驗板，像1016E的實驗板，其實很便宜，大概幾百元左右就可以做下來。當然若包括電路板的制板光繪、絲網漏印等費用，費用可能還要增