FPGA数字电子系统的设计方法

　　1.硬件单元电路设计

　　在进行硬件单元电路设计时，必须明确对各单元电路的具体要求，详细拟定出单元电路的性能指标，认真考虑各单元电路之间的相互联系，注意前后级单元电路之间信号的传递方式和匹配，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑到使各单元电路的供电电源尽可能地统一，以便使整个电子系统简单可靠。另外，尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能;有时找不到完全满足要求的现成电路，可在与设计要求比较接近的电路的基础上适当改进，或自己进行创造性设计。为了使电子系统的体积小、可靠性高，单元电路尽可能用集成电路组成，如集成运放、集成稳压器件、模拟开关、频压变换等。

　　在进行硬件单元电路设计参数计算时，应根据单元电路的性能指标要求决定单元电路元器件的参数。例如，根据电压放大倍数的大小，可决定反馈电阻的取值;根据振荡器要求的振荡频率，利用公式，可计算出决定振荡频率的电阻和电容值等。但一般满足电路性能指标要求的理论参数值不是唯一的，设计者应根据元器件性能、价格、体积、通用性和货源等方面灵活选择。计算单元电路参数时应注意以下几点：

　　（1）在计算元器件工作电流、电压和功率等参数时，应考虑工作条件最为不利的情况，并留有适当的余量。

　　（2）对于元器件的极限参数必须留有足够的余量，一般取1.5~2倍的额定值。

　　（3）对于电阻、电容参数的取值，应选计算值附近的标称值。电阻值一般在1MΩ内选择;非电解电容一般在100pF~0.47F选择;电解电容一般在1~2000μF范围内选用。

　　（4）在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、体积等。

　　2.软件设计

　　为了满足电子系统的系统功能、技术指标的要求，软件设计首先要完成功能模块的设计，如键盘、数码显示、A/D、D/A转换等功能模块。功能模块设计好以后可以反复使用，使设计更加快捷和方便。用VHDL语言编写功能模块，用图形输入的方法将各个功能模块连接起来，将其下载到FPGA芯片上，然后把FPGA芯片和硬件电路连接起来，就构成整个具有一定功能和技术指标的FPGA电子系统。

　　3.元器件的选择

　　电子系统的设计就是选择最合适的元器件，并把它们有机地组合起来。在确定电子元件时，应根据电路处理信号的频率范围、环境温度、空间大小、成本高低等诸多因素全面考虑。具体表现为：

　　（1）一般优先选择集成电路。由于集成电路体积小、功能强，可使电子系统可靠性增强，安装调试方便，大大简化电子系统的设计。如随着模拟集成技术的不断发展，适用于各种场合的集成运算放大器层出不穷，只要外加极少量的元器件，利用运算放大器就可构成性能良好的放大器。同样地，目前设计直流稳压电源时，已很少采用分立元器件进行设计了，取而代之的是性能更稳定、工作更可靠、成本更低的集成稳压器。

　　（2）电阻器和电容器是两种最常见的元器件，它们的种类很多，性能相差也很大，应用的场合也不同。因此，对于设计者来说，应熟悉各种电阻器和电容器的主要性能指标和特点，以便根据电路要求，对元件做出正确的选择。

　　（3）分立半导体元件的选择。首先要熟悉它们的性能，掌握它们的应用范围;根据电路的功能要求和元器件在电路中的工作条件，如通过的最大电流、最大反向工作电压、最高工作频率、最大消耗的功率等，确定元器件型号。

　　4.计算机模拟仿真

　　随着计算机技术的飞速发展，电子系统的设计方法发生了很大变化。目前，EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）技术已成为现代电子系统设计的必要手段。在计算机平台上，利用EDA软件，可对各种电子电路进行调试、测量、修改，这样大大提高了电子设计的效果和精确度，同时节约了设计费用。

　　5.实验调试

　　电子系统设计要考虑的因素和问题很多，由于电路在计算机上进行模拟时所采用的元器件参数和模型与实际器件有差别，所以对经计算机仿真过的电路，还要进行实际实验。通过实验可以发现问题、解决问题。若性能指标达不到要求，应深入分析问题出在哪些单元电路或软件设计的模块上，再对它们重新设计和选择，直到完全达到性能指标为止。

　　6.绘总体电路图

　　总体电路图是在总框图、单元电路设计、软件设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的，它是组装、调试、印刷电路板设计和维修的依据。目前绘电路图一般是利用绘图软件在计算机上完成。绘制电路图时主要注意以下几点：

　　（1）总体电路图尽可能画在同一张图上;注意信号的流向，一般从输入端画起，由左向右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路;对于电路图比较复杂的，应将主电路图画在一张或数张图纸上，并在各图所有端口两端标注上标号，依次说明各图纸之间的连线关系。

　　（2）注意总体电路图的紧凑和协调，要求布局合理、排列均匀。图中元器件的符号应标准化，元件符号旁边应标出型号和参数。集成电路通常用方框表示，在方框内标出它的型号，在方框的两侧标出每根连线的功能和引脚号。

　　（3）连线一般画成水平线或垂直线，并尽可能减少交叉和拐弯。对于相互交叉的线，应在交叉处用圆点标出。对于连接电源负极的连线，一般用接地符号表示;对于连接电源正极的连线，仅需标出电压值。