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第1章FPGA电子系统的设计方法1

1.1 电子系统设计1

1.1.1总体方案确定1

1.1.2子系统设计2

1.2印制电路板设计3

1.2.1准备工作4

1.2.2元器件布局与布线4

1.2.3印制焊盘的尺寸及形状8

1.2.4印制导线的尺寸及形状10

1.2.5印制导线的抗干扰和屏蔽12

1.2.6印制电路板的对外连接14

1.2.7表面贴装技术对印制板的要求15

1.3电子系统的安装与调试15

1.3.1电子系统的安装15

1.3.2元器件的引脚识别16

1.3.3电子系统的调试17

1.4电子系统抗干扰措施18

1.4.1正确选择器件19

1.4.2正确分布元器件19

1.4.3交流输入电源增加电源滤波器19

1.4.4施加屏蔽措施20

1.4.5使用合理的接地方式21

1.4.6电路加入滤波电容和补偿电容22

第2章FPGA设计软件——QuartusⅡ及其使用方法24

2.1编程存储及编译24

2.2指定器件引脚及编译28

2.3下载30

2.4存储及编译图形描述（电路图）30

2.5掉电可存储下载方法33

第3章FPGA的硬件描述语言VHDL36

3.1 VHDL程序的特点36

3.2 VHDL程序的基本结构37

3.2.1库说明37

3.2.2实体说明38

3.2.3结构体说明39

3.3 VHDL的数据39

3.3.1基本标志符40

3.3.2数据对象40

3.3.3数据类型41

3.4 VHDL的表达式43

3.4.1逻辑运算符44

3.4.2算术运算符44

3.4.3关系运算符45

3.4.4并置运算符45

3.4.5操作符的运算优先级46

第4章VHDL的顺序描述语句47

4.1信号赋值语句和变量赋值语句47

4.2 if语句48

4.3 case语句50

4.4 for loop循环语句52

4.5 null语句53

第5章VHDL的并行描述语句55

5.1进程语句55

5.2并发信号赋值语句58

5.3条件信号赋值语句59

5.4选择信号赋值语句61

5.5元件例化语句62

5.6生成语句66

第6章VHDL的时钟信号描述方法70

6.1时钟信号的VHDL描述方法70

6.1.1时钟边沿的描述70

6.1.2时序电路中进程敏感信号是时钟信号71

6.2时序电路中复位信号的VHDL描述方法71

6.2.1同步复位72

6.2.2异步复位72

第7章VHDL的有限状态机的设计7.1有限状态机的基本概念74

7.2一个Moore型有限状态机的设计方法75

第8章FPGA数字电路设计实例81

8.1门电路FPGA设计81

8.1.1与非门电路81

8.1.2二输入或非门电路84

8.1.3二输入异或门电路85

8.1.4反向器门电路87

8.1.5三态门电路88

8.1.6单向总线缓冲器88

8.1.7双向总线缓冲器89

8.2组合逻辑电路FPGA设计89

8.2.1监视交通信号灯工作状态的逻辑电路89

8.2.2 8线-3线编码器90

8.2.3 8线-3线优先编码器91

8.2.4二一十进制编码器93

8.2.5译码器（3线-8线）94

8.2.6二一十进制译码器96

8.2.7 BCD七段显示译码器97

8.2.8代码转换电路98

8.2.9四选一数据选择器100

8.2.10八选一数据选择器101

8.2.11 4位全加器101

8.2.12 8位加法器103

8.2.13多位数值比较器105

8.3触发器FPGA设计105

8.3.1 RS触发器106

8.3.2主从JK触发器106

8.3.3 D触发器108

8.4时序逻辑电路FPGA设计109

8.4.1寄存器109

8.4.2双向移位寄存器110

8.4.3串行输入并行输出移位寄存器111

8.4.4循环移位寄存器112

8.4.5 4位同步二进制计数器113

8.4.6单时钟同步十六进制加/减计数器114

8.4.7双时钟同步十六进制加/减计数器115

8.4.8同步十进制加法计数器118

8.4.9单时钟同步十进制可逆计数器120

8.4.10异步二进制加法计数器121

8.4.11同步一百进制计数器123

8.4.12同步二十九进制计数器124

8.4.13顺序脉冲发生器126

8.4.14序列信号发生器127

8.4.15用状态机方法设计十三进制计数器128

8.4.16串行数据检测器129

8.4.17能自启动的七进制计数器131

8.4.18能自启动的三位环形计数器132

8.4.19用状态机方法设计十进制减法计数器133

第9章FPGA外围电路——集成运算放大器135

9.1集成运算放大器典型电路135

9.1.1反相比例运算电路135

9.1.2同相比例运算电路136

9.1.3反相求和运算电路136

9.1.4同相求和运算电路136

9.1.5加减运算电路137

9.1.6积分运算电路137

9.1.7微分运算电路138

9.1.8压控电压源二阶低通滤波器138

9.1.9压控电压源二阶高通滤波器138

9.1.10 RC桥式正弦振荡电路139

9.1.11方波发生电路139

9.1.12方波和三角波发生电路140

9.1.13过零比较器140

9.1.14一般单限比较器141

9.1.15滞回比较器141

9.1.16窗口比较器143

9.1.17精密整流电路143

9.2单电源供电的集成运算放大器的应用144

9.2.1单电源集成运放的放大电路144

9.2.2单电源集成运放的正弦波发生器145

9.2.3单电源集成运放的方波三角波发生器146

9.2.4单电源集成运放的低通滤波器146

9.2.5单电源集成运放的高通滤波器146

9.2.6单电源集成运放的比较器147

9.2.7单电源比较器147

9.2.8单电源比较器组成的窗口比较器148

9.2.9高效率音频功率放大器148

9.2.10单电源集成运放综合设计152

9.3集成运算放大器的综合应用153

9.3.1小信号功率放大器153

9.3.2具有放大、滤波及继电器控制的模拟信号检测与控制系统155

9.3.3具有放大、F/V转换及继电器控制的模拟信号频率检测与控制系统158

9.3.4间歇正弦波控制路160

9.3.5语音信号放大器162

9.3.6程控放大器0～40dB162

9.3.7宽带放大器164

9.3.8正弦交流电压有效值控制的压控振荡电路165

9.3.9电压转换恒定电流电路166

9.3.10实用温控器167

9.3.11用热释电传感器的报警电路168

9.3.12基于PWM的LED调光电路168

9.3.13具有放大、滤波器、计数功能的电子电路170

第10章FPGA数字电路系统设计实例173

10.1数字信号的发送和接收电路173

10.2序列计数器175

10.3设计一个自动售邮票的控制电路178

10.4数字锁180

10.5设计一个汽车尾灯的控制电路183

10.6交通灯控制器186

10.7双十字路口交通灯控制器193

10.8 16×16的点阵显示设计196

10.9乒乓球游戏机200

10.10三层电梯控制器205

10.11汽车停车场停车位显示系统210

10.12智力竞赛抢答计时器的设计212

10.13出租车计费器218

10.14定时器223

10.15秒表226

10.16数字钟232

10.17数字频率计239

10.18电子琴电路设计245

10.19《友谊地久天长》乐曲演奏电路设计247

10.20寄存序列型信号发生器254

10.21正负脉宽数控调制信号发生器设计257

10.22智能函数发生器设计258

10.23周期可调的多波形发生器265

10.24模拟信号检测271

10.25数据采集及监控系统277

第11章FPGA电子系统设计项目282

11.1项目1 FPGA控制的数码显示电路282

11.1.1设计要求282

11.1.2设计分析282

11.1.3显示原理282

11.1.4驱动8位数码管显示电路框图283

11.1.5模块及模块功能284

11.2项目2键盘控制电路288

11.2.1设计要求288

11.2.2设计分析288

11.2.3设计思想与源程序289

11.3项目3用8×8行共阴、列共阳双色点阵发光器件显示汉字295

11.3.1设计要求295

11.3.2设计分析295

11.3.3器件及硬件电路295

11.3.4设计软件的思路及源程序298

11.4项目4 FPGA控制的数模D/A转换电路311

11.4.1设计要求311

11.4.2设计分析311

11.4.3 DAC0832转换器311

11.4.4数模D/A转换电路312

11.4.5 FPGA控制的数模D/A转换电路313

11.5项目5 FPGA控制的模数A/D转换0809的应用314

11.5.1设计要求314

11.5.2设计分析315

11.5.3 ADC0809转换器及其转换电路315

11.5.4 FPGA控制的模数A/D转换电路318

11.5.5用数码管显示模数A/D转换器的输入电压321

11.5.6 ADC0809转换模拟输入负电压电路326

11.6项目6数控式可逆步进调压直流稳压电源327

11.6.1设计要求327

11.6.2原理及硬件电路327

11.6.3软件设计思想及源程序328

11.7项目7数控式直流电流源331

11.7.1设计指标及框图331

11.7.2硬件电路图331

11.7.3软件设计思想及源程序333

11.8项目8低频数字式相位测量仪336

11.8.1低频数字式相位测量仪设计指标及框图336

11.8.2移相网络336

11.8.3相位测量338

11.9项目9多路数据采集系统348

11.9.1设计内容348

11.9.2现场模拟信号产生器349

11.9.3 8路数据采集器351

11.9.4主控器354

11.10项目10测量放大器369

11.10.1测量放大器系统369

11.10.2桥式电路370

11.10.3信号变换放大器370

11.10.4直流电压放大器370

11.10.5程控的直流电压放大器372

11.11项目11功率放大器384

11.11.1设计任务384

11.11.2功率放大器384

11.11.3前置放大器385

11.11.4系统测试386

11.11.5自制稳压电源386

11.11.6集成功率放大器387

11.12项目12开关型稳压电源392

11.12.1脉冲宽度调制电路MIC2194393

11.12.2 MC34060控制的串联型开关稳压电源394

11.13项目13程控滤波器395

11.13.1设计要求395

11.13.2设计框图396

11.13.3程控放大器396

11.13.4程控低通滤波器399

11.13.5程控高通滤波器402

11.13.6程控滤波器的FPGA控制核心403

11.14项目14信号发生器425

11.14.1设计要求425

11.14.2信号发生器的功能及其内部接线425

11.14.3信号发生器的FPGA内部结构427

11.14.4调用QuartusⅡ中的除法器件方法448

11.15项目15交流电压参数的测量451

11.15.1设计要求451

11.15.2给定的器件452

11.15.3硬件电路454

11.15.4软件电路456

11.16项目16宽带放大器472

11.16.1设计要求472

11.16.2硬件电路473

11.16.3软件电路476

11.17项目17高效率音频功率放大器493

11.17.1 设计要求493

11.17.2 D类放大器的工作原理493

11.17.3硬件电路494

11.17.4软件电路497

11.18项目18数字化语音存储与回放系统508

11.18.1设计要求508

11.18.2硬件电路508

11.18.3软件电路511

11.19项目19数字式工频有效值多用表517

11.19.1硬件电路518

11.19.2软件电路518

11.20项目20简易电阻、电容和电感测量仪538

11.20.1设计要求538

11.20.2硬件电路538

11.20.3软件电路540

11.21项目21数字幅频均衡功率放大器553

11.21.1设计要求553

11.21.2设计框图554

11.21.3三级放大电路554

11.21.4带阻网络555

11.21.5低通滤波电路555

11.21.6 A/D转换555

11.21.7 D/A转换和功率放大器555

11.21.8 FPGA程序555

11.22项目22红外光通信装置562

11.22.1设计要求562

11.22.2红外光语音通信装置563

11.22.3红外光温度数字信号通信装置565

11.22.4红外光通信装置总结583

11.23项目23数字频率计584

11.23.1设计要求584

11.23.2系统设计方案和电路584

11.23.3信号频率测量587

11.23.4时间间隔测量系统模块595

11.23.5占空比测量系统模块603

11.24项目24基于FPGA与nRF24L01的无线数据传输与应用607

11.24.1 nRF24L01无线收发器607

11.24.2 nRF24L01无线收发器工作模式609

11.24.3 nRF24L01配置611

11.24.4用FPGA对nRF24L01进行配置618