文章開篇提出了開發背景。認為現在所廣泛應用的開關電源都是基于傳統的分立元件組成的。它的特點是頻率范圍窄、電力小、功能少、器件多、成本較高、精度低，對不同的客戶要求來“量身定做”不同的產品，同時幾乎沒有通用性和可移植性。在電子技術飛速發展的今天，這種傳統的模擬開關電源已經很難跟上時代的發展步伐。 隨著DSP、ASIC等電子器件的小型化、高速化，開關電源的控制部分正在向數字化方向發展。由于數字化，使開關電源的控制部分的智能化、零件的共通化、電源的動作狀態的遠距離監測成為了可能，同時由于它的智能化、零件的共通化使得它能夠靈活地應對不同客戶的需求，這就降低了開發周期和成本。依靠現代數字化控制和數字信號處理新技術，數字化開關電源有著廣闊的發展空間。 在數字化領域的今天，最后一個沒有數字化的堡壘就是電源領域。近年來，數字電源的研究勢頭與日俱增，成果也越來越多。雖然目前中國制造的開關電源占了世界市場的80％以上，但都是傳統的比較低端的模擬電源。高端市場上幾乎沒有我們份額。 本論文研究的主要內容是在傳統開關電源模擬調節器的基礎上，提出了一種新的數字化調節器方案，即基于DSP和FPGA的數字化PID調節器。論文對系統方案和電路進行了較為具體的設計，并通過測試取得了預期結果。測試證明該方案能夠適合本行業時代發展的步伐，使系統電路更簡單，精度更高，通用性更強。同時該方案也可用于相關領域。 本文首先分析了國內外開關電源發展的現狀，以及研究數字化開關電源的意義。然后提出了數字化開關電源的總體設計框圖和實現方案，并與傳統的開關電源做了較為詳細的比較。本論文的設計方案是采用DSP技術和FPGA技術來做數字化PID調節，通過數字化PID算法產生PWM波來控制斬波器，控制主回路。從而取代傳統的模擬PID調節器，使電路更簡單，精度更高，通用性更強。傳統的模擬開關電源是將電流電壓反饋信號做PID調節后--分立元器件構成，采用專用脈寬調制芯片實現PWM控制。電流反饋信號來自主回路的電流取樣，電壓反饋信號來自主回路的電壓采樣。再將這兩個信號分別送至電流調節器和電壓調節器的反相輸入端，用來實現閉環控制。同時用來保證系統的穩定性及實現系統的過流過壓保護、電流和電壓值的顯示。電壓、電流的給定信號則由單片機或電位器提供。再次，文章對各個模塊從理論和實際的上都做了仔細的分析和設計，并給出了具體的電路圖，同時寫出了軟件流程圖以及設計中應該注意的地方。整個系統由DSP板和ADC板組成。DSP板完成PWM生成、PID運算、環境開關量檢測、環境開關量生成以及本地控制。ADC板主要完成前饋電壓信號采集、負載電壓信號采集、負載電流信號采集、以及對信號的一階數字低通濾波。由于整個系統是閉環控制系統，要求采樣速率相當高。本系統采用FPGA來控制ADC，這樣就避免了高速采樣占用系統資源的問題，減輕了DSP的負擔。DSP可以將讀到的ADC信號做PID調節，從而產生PWM波來控制逆變橋的開關速率，從而達到閉環控制的目的。 最后，對數字化開關電源和模擬開關電源做了對比測試，得出了預期結論。同時也提出了一些需要改進的地方，認為該方案在其他相關行業中可以廣泛地應用。模擬控制電路因為使用許多零件而需要很大空間，這些零件的參數值還會隨著使用時間、溫度和其它環境條件的改變而變動并對系統穩定性和響應能力造成負面影響。數字電源則剛好相反，同時數字控制還能讓硬件頻繁重復使用、加快上市時間以及減少開發成本與風險。在當前對產品要求體積小、智能化、共通化、精度高和穩定度好等前提條件下，數字化開關電源有著廣闊的發展空間。本系統來基本上達到了設計要求。能夠滿足較高精度的設計要求。但對于高精度數字化電源，系統還有值得改進的地方，比如改進主控器，提高參考電壓的精度，提高采樣器件的精度等，都可以提高系統的精度。 本系統涉及電子、通信和測控等技術領域，將數字PID算法與電力電子技術、通信技術等有機地結合了起來。本系統的設計方案不僅可以用在電源控制器上，只要是相關的領域都可以采用。
上傳時間： 2013-06-29
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基于∑-△噪聲整形技術和過采樣技術的數模轉換器(DAC)可以可靠地把數字信號轉換成為高精度的模擬信號。采用這一結構進行數模轉換具有諸多優點,例如極低的失配噪聲和高的可靠性,便于作為IP模塊嵌入到其他芯片系統中等,更重要的是可以得到其他DAC結構所無法達到的精度和動態范圍。在高精度測量、音頻轉換、汽車電子等領域有著廣泛的應用價值。 由于非線性和不穩定性的存在,高階∑-△調制器的設計與實現存在較大的難度。本設計綜合大量文獻中的經驗原則和方法,首先闡述了∑-△調制器的一般原理,并討論了一般結構調制器的設計過程,然后描述了穩定的高階高精度調制器的設計流程。根據市場需求,設定了整個設計方案的性能指標,并據此設計了達到16bit精度和滿量程輸入范圍的三階128倍過采樣調制器。 本設計采用∑-△結構,根據系統要求設計了量化器位數、調制器過采樣比和階數。在分析高階單環路調制器穩定性的基礎上,成功設計了六位量化三階單環路調制器結構。在16比特的輸入信號下,達到了90dB左右的信噪比。該設計已經在Cyclone系列FPGA器件下得到硬件實現和驗證,并實現了實時音頻驗證。測試表明,該DAC模塊輸出信號的信噪比能滿足16比特數據轉換應用的分辨率要求,并具備良好的兼容性和通用性。 本設計可作為IP核廣泛地在其他系統中進行復用,具有很強的應用性和一定的創新性。
上傳時間： 2013-07-10
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PWM(脈沖寬度調制)是一種利用數字信號來控制模擬電路的控制技術，廣泛應用于電源、電機、伺服系統、通信系統、電子控制器、功率控制等電力電子設備。PWM技術在逆變電路中的應用最為廣泛，也是變頻技術的核心，同時在機床，液壓位置控制系統等機械裝置中也發揮著重要的作用。PWM技術已經成為控制領域的一個熱點，因此研究PWM發生器對于基礎理論的發展和技術的改進都有十分重要的意義。 論文研究的主要內容是用任意波形作為調制信號通過特定的方法來產生所需要的PWM波形，任意波形的合成和PWM波形的生成是兩個主要任務。任意波形的合成是課題設計的一個難點，也是影響系統性能的關鍵因素之一。論文中波形合成采用直接數字頻率合成(DDS)技術來實現。DDS技術以相位為地址，通過查找離散幅度數據進行波形合成，具有輸出波形相位變化連續、分辨率高、頻率轉換速率快的優點，而且通過設置控制字可靈活方便地改變輸出頻率，是目前波形合成的主流方法。 實現PWM發生器的設計方法有多種。在綜合比較了單片機、DSP、ARM等常用開發工具特點的基礎上，本文提出了一種以可編程邏輯器件(PLD)為主體，單片機輔助配合的設計方法。隨著計算機技術和微電了技術的迅速發展，可編程邏輯器件的集成度和容量越來越大，基于PLD的設計方法正逐步成為一種主流于段，是近些年來電子系統設計的一個熱點。整個系統分為模擬波形產生、單片機控制電路、FPGA內部功能模塊三大部分。FPGA部分的設計是以Altera公司的Quartus Ⅱ軟件為開發平臺，采用VHDL語言為主要輸入手段來完成內部各功能模塊的設計輸入、編譯、仿真等調試工作，目標載體選用性價比比較高的Altera公司的CycloneⅡ系列的器件；單片機控制電路主要負責控制字的設置和顯示，波形數據的接受與發送；用MATLAB軟件完成仟意波形的繪制和模擬任務。 論文共分五章，詳細介紹了課題的背景、PWM發生器的發展和應用以及選題的目的和意義等，論述了系統設計方案的可行性，對外圍電路和FPAG內部功能模塊的設計方法進行了具體說明，并對仿真結果、系統的性能、存在的問題和改進方法等進行了分析和闡述。整個設計滿足PWM發生器的任務和功能要求，設計方法可行。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著數字電子技術的發展，數字信號處理廣泛應用于聲納、雷達、通訊語音處理和圖像處理等領域。快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)在數字信號處理系統中起著很重要的作用，FFT 有效地提高了離散傅立葉變換(Discret Fourier Transform，DFT)的運算效率。 處理器一般要求具有高速度、高精度、大容量和實時處理的性能，而現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是近年來迅速發展起來的新型可編程器件，在處理大規模數據方面，有極大的優勢。論文采用了在FPGA中實現FFT算法的方案。 數字信號處理板的硬件電路設計是本論文的重要部分之一。在介紹了FFT以及波束形成的基本原理和基本方法的基礎上，根據實時處理的要求，給出了數字信號處理板的硬件設計方案并對硬件電路的實現進行了分析和說明。 依據數字系統的設計方法，分別采用基二按時間抽取FFT算法、基四按時間抽取FFT算法以及FFT兆核函數三種方法利用硬件描述語言(VHSICHardware Description Language，VHDL)實現了1024點的FFT，接著對三種方法進行了評估，得出了FPGA完全能滿足處理器的實時處理的要求的結論。然后根據通用串行總線(Universial Serial Bus，USB)協議，利用VHDL語言編寫了USB接口芯片ISP1581的固件程序，實現了設備的枚舉過程。
上傳時間： 2013-06-27
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可配置端口電路是FPGA芯片與外圍電路連接關鍵的樞紐，它有諸多功能：芯片與芯片在數據上的傳遞(包括對輸入信號的采集和輸出信號輸出)，電壓之間的轉換，對外圍芯片的驅動，完成對芯片的測試功能以及對芯片電路保護等。 本文采用了自頂向下和自下向上的設計方法，依據可配置端口電路能實現的功能和工作原理，運用Cadence的設計軟件，結合華潤上華0.5μm的工藝庫，設計了一款性能、時序、功耗在整體上不亞于xilinx4006e[8]的端口電路。主要研究以下幾個方面的內容： 1.基于端口電路信號寄存器的采集和輸出方式，本論文設計的端口電路可以通過配置將它設置成單沿或者雙沿的觸發方式[7]，并完成了Verilog XL和Hspiee的功能和時序仿真，且建立時間小于5ns和保持時間在0ns左右。和xilinx4006e[8]相比較滿足設計的要求。 2.基于TAP Controller的工作原理及它對16種狀態機轉換的控制，對16種狀態機的轉換完成了行為級描述和實現了捕獲、移位、輸出、更新等主要功能仿真。 3.基于邊界掃描電路是對觸發器級聯的構架這一特點，設計了一款邊界掃描電路，并運用Verilog XL和Hspiee對它進行了功能和時序的仿真。達到對芯片電路測試設計的要求。 4.對于端口電路來講，有時需要將從CLB中的輸出數據實現異或、同或、與以及或的功能，為此本文采用二次函數輸出的電路結構來實現以上的功能，并運用Verilog XL和Hspiee對它進行了功能和時序的仿真。滿足設計要求。 5.對于0.5μm的工藝而言，輸入端口的電壓通常是3.3V和5V，為此根據設置不同的上、下MOS管尺寸來調整電路的中點電壓，將端口電路設計成3.3V和5V兼容的電路，通過仿真性能上已完全達到這一要求。此外，在輸入端口處加上擴散電阻R和電容C組成噪聲濾波電路，這個電路能有效地抑制加到輸入端上的白噪聲型噪聲電壓[2]。 6.在噪聲和延時不影響電路正常工作的范圍內，具有三態控制和驅動大負載的功能。通過對管子尺寸的大小設置和驅動大小的仿真表明：在實現TTL高電平輸出時，最大的驅動電流達到170mA，而對應的xilinx4006e的TTL高電平最大驅動電流為140mA[8]；同樣，在實現CMOS高電平最大驅動電流達到200mA,而xilinx4006e的CMOS驅動電流達到170[8]mA。 7.與xilinx4006e端口電路相比，在延時和面積以及功耗略大的情況下，本論文研究設計的端口電路增加了雙沿觸發、將輸出數據實現二次函數的輸出方式、通過添加譯碼器將配置端口的數目減少的新的功能，且驅動能力更加強大。
上傳時間： 2013-07-20
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隨著Internet的不斷發展，人們希望日常生活中所用到的嵌入式設備都能夠很方便地實現Intemet接入，這對嵌入式系統設計提出了新的挑戰，要求低成本、多功能、高性能。這些是目前嵌入式系統設計的熱點。 可編程邏輯器件FPGA在過去的幾十年中取得了飛速發展，從最初的幾千門到現在的幾百萬門，可靠性與集成度不斷提高，而功耗和成本卻在不斷降低，具有很高的性價比。再加上開發周期短、對開發人員的要求相對較低的優點，因此被大量應用于嵌入式系統設計中。 本文是基于FPGA高性價比、可靈活配置的特點，也是當前流行的“微控制器+FPGA”的嵌入式系統設計方式，所以我們提出了基于FPGA的實現方案。本文通過在FPGA中硬件實現嵌入式TCP/IP協議(包括UDP、IP、ARP、TCP等網絡協議)以及以太網MAC協議，并提供標準MII接口，通過外接PHY實現網絡連接。最終成功地通過了驗證。 基于FPGA的實現可以有效地降低成本，同時可以在其中集成其他功能模塊，提高整個系統的集成度，減小PCB版圖面積和布線復雜度，有利于提高系統可靠性。因此，本研究課題對嵌入式系統設計有很大的實用價值。
上傳時間： 2013-04-24
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基于微處理器的數字PID控制器改變了傳統模擬PID控制器參數整定不靈活的問題。但是常規微處理器容易在環境惡劣的情況下出現程序跑飛的問題，如果實現PID軟算法的微處理器因為強干擾或其他原因而出現故障，會引起輸出值的大幅度變化或停止響應。而FPGA的應用可以從本質上解決這個問題。因此，利用FPGA開發技術，實現智能控制器算法的芯片化，使之能夠廣泛的用于各種場合，具有很大的應用意義。 首先分析FPGA的內部結構特點，總結FPGA設計技術及開發流程，指出實現結構優化設計，降低設計難度，是擴展設計功能、提高芯片性能和產品性價比的關鍵。控制系統由四個模塊組成，主要包括核心控制器模塊、輸入輸出模塊以及人機接口。其中控制器部分為系統的關鍵部件。在分析FPGA設計結構類型和特點的基礎上，提出一種基于FPGA改進型并行結構的PID溫度控制器設計方法。在PID算法與FPGA的運算器邏輯映像過程中，采用將補碼的加法器代替減法器設計，增加整數運算結果的位擴展處理，進行不同數據類型的整數歸一化等不同角度的處理方法融合為一體，可以有效地減少邏輯運算部件。應用Ouartus Ⅱ圖形輸入與Verilog HDL語言相結合設計實現了PID控制器，用Modelsim仿真驗證了設計結果的正確性，用Synplify Pro進行電路綜合，在Quaitus Ⅱ軟件中實現布局布線，最后生成FPGA的編程文件。根據控制系統的要求，論文設計完成了12位模數AD轉換器、數據顯示器、按鍵等相關外圍接口電路。 將一階、純滯后、大慣性電阻爐溫作為控制對象，以EP1C3T144 FPGA為核心，構建PID控制系統。在采用Pt100溫度傳感器、分辨率為2℃、最大溫度控制范圍0～400℃的條件下，實驗結果表明，達到無超調的穩定控制要求，為降低FPGA實現PID控制器的設計難度提供了有效的方法。
上傳時間： 2013-06-13
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本文以研究嵌入式微處理器為主，自主地設計了能夠運行MCS-51系列單片機指令的MCU系統。系統采用了VHDL 語言與原理框圖的綜合設計方法，并且在Altera公司的FPGA上通過驗證。論文深入地研究了微處理器的指令系統和數據地址通路，采用VHDL 語言完成了取指單元，指令譯碼器單元，存儲器單元和邏輯運算單元的電路模塊的設計與實現；研究了控制單元的實現方法和基于全局狀態機的設計理論，采用硬件描述語言完成了對各個控制線的相關設計與實現。論文通過原理示意圖和示例代碼的演示，著重介紹了指令譯碼器的實現方式，基于此種方式形成的譯碼電路還能夠實現更為復雜的CISC指令。 本系統采用分模塊的設計方式，把具有相同功能的邏輯電路集中到一個框圖里，使得系統的可移植性大大地提高。系統還采用層次框圖的設計方式，把明顯地具有主從關系的電路放在不同的層次里，這也使得系統模塊功能的可擴展性大大地增強。內部邏輯共分為數據存儲器模塊；程序存儲器模塊；時序控制模塊；特殊功能寄存器模塊和Core核心模塊這五個部分，文中對各個模塊的設計作了詳細的介紹。本文在最后對已實現的部分典型指令進行了邏輯仿真測試，測試結果表明，本文所設計的MCU系統能夠如預期地執行相應的指令。在指令執行的過程中，相應寄存器和總線上的值也均符合設計要求，實現了設計目標。
上傳時間： 2013-05-20
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在數字通信中，采用差錯控制技術(糾錯碼)是提高信號傳輸可靠性的有效手段，并發揮著越來越重要的作用。糾錯碼主要有分組碼和卷積碼兩種。在碼率和編碼器復雜程度相同的情況下，卷積碼的性能優于分組碼。 卷積碼的譯碼方法主要有代數譯碼和概率譯碼。代數譯碼是基于碼的代數結構；而概率譯碼不僅基于碼的代數結構，還利用了信道的統計特性，能充分發揮卷積碼的特點，使譯碼錯誤概率達到很小。 卷積碼譯碼器的設計是由高性能的復雜譯碼器開始的，對于概率譯碼最初的序列譯碼，隨著譯碼約束長度的增加，其譯碼錯誤概率可達到非常小。后來慢慢地向低性能的簡單譯碼器演化，對不太長的約束長度，維特比(Viterbi)算法是非常實用的。維特比算法是一種最大似然的譯碼方法。當編碼約束度不太大(小于等于10)或者誤碼率要求不太高(約10-5)時，Viterbi譯碼算法效率很高，速度很快，譯碼器也較簡單。 目前，卷積碼在數傳系統，尤其是在衛星通信、移動通信等領域已被廣泛應用。 本論文對卷積碼編碼和Viterbi譯碼的設計原理及其FPGA實現方案進行了研究。同時，將交織和解交織技術應用于編碼和解碼的過程中。 首先，簡要介紹了卷積碼的基礎知識和維特比譯碼算法的基本原理，并對硬判決譯碼和軟判決譯碼方法進行了比較。其次，討論了交織和解交織技術及其在糾錯碼中的應用。然后，介紹了FPGA硬件資源和軟件開發環境Quartus Ⅱ，包括數字系統的設計方法和設計規則。再有，對基于FPGA的維特比譯碼器各個模塊和相應算法實現、優化進行了研究。最后，在Quartus Ⅱ平臺上對硬判決譯碼和軟判決譯碼以及有無交織等不同情況進行了仿真，并根據仿真結果分析了維特比譯碼器的性能。 分析結果表明，系統的誤碼率達到了設計要求，從而驗證了譯碼器設計的可靠性，所設計基于FPGA的并行Viterbi譯碼器適用于高速數據傳輸的場合。
上傳時間： 2013-04-24
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近年來，隨著多媒體技術的迅猛發展，電子、計算機、通訊和娛樂之間的相互融合、滲透越來越多，而數字音頻技術則是應用最為廣泛的技術之一。MP3(MPEG-1 Audio LayerⅢ)編解碼算法作為數字音頻的解決方案，在便攜式多媒體產品中得到了廣泛流行。 在已有的便攜式MP3系統實現方案中，低速處理器與專用硬件結合的SOC設計方案結合了硬件實現方式和軟件實現方式的優點，具有成本低、升級容易、功能豐富等特點。IMDCT(反向改進離散余弦變換)是編解碼算法中一個運算量大調用頻率高的運算步驟，因此適于硬件實現，以降低處理器的開銷和功耗，來提高整個系統的性能。 本文首先闡述了MP3音頻編解碼標準和流程，以及IMDCT常用的各種實現算法。在此基礎上選擇了適于硬件實現的遞歸循環實現方法，并在已有算法的基礎上進行了改進，減小了所需硬件資源需求并保持了運算速度。接著提出了模塊總體設計方案，結合算法進行了實現結構的優化，并在EDA環境下具體實現，用硬件描述語言設計、綜合、仿真，且下載到Xilinx公司的VirtexⅡ系列xc2v1000FPGA器件中，在減小硬件資源的同時快速地實現了IMDCT，經驗證功能正確。
上傳時間： 2013-05-31
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