电路设计思想
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电路设计思想范文第1篇
关键词：数字电路；教学体系；重构；设计
中图分类号：G642.0？摇 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0165-02
一、概述
数字技术是近几十年发展最快的技术，其发展对人类社会产生着深远的影响。作为数字技术硬件基础的数字电路遵循摩尔定律，在几十年中经历了从分立电路到集成电路的设计历程，到现在已进入片上网络（Network on Chip，NoC）的阶段。从数字电路的晶体管电路时代，历经中小规模集成电路设计时代，到现在广泛采用EDA工具进行ASIC设计以及基于FPGA进行设计的时代，电路设计的每一步发展过程都产生过很多重要的设计思想及设计方法。这些设计思想及方法的累积构成了现在的数字电路教学体系。然而，由于新旧体系高速更迭，使得目前的数字电路教学体系呈现一种拼接的模式，整体内容缺少因果链接，电路的逻辑设计、功能设计和性能设计三方面脱节。这种现状与当前数字技术领域对人才的要求极不适应。要对现状有所改革，首先需要对数字电路各部分内容有所了解，从中提取适应发展的部分，重新构成一个自洽的课程内容体系。本文希望通过对现有课程中不同部分内容进行分析，在此方面进行一些尝试。
二、基于晶体管的设计
目前，数字集成电路采用的主要工艺是CMOS工艺，在这种工艺条件下，电路逻辑结构由MOS晶体管担任开关作用来实现。MOS晶体管分为PMOS和NMOS两种形式，分别用于传导高电平（1）和低电平（0），如图1所示。逻辑输入控制晶体管的栅极，连通的晶体管支路由电源或地为逻辑输出提供标准输出电平，如图2所示。在晶体管的相互连接中，NMOS的串联可以实现AND运算，并联实现OR运算，由此可以形成各种基本的逻辑单元，如图3所示，这些逻辑单元的进一步连接可以形成各种功能电路。
在目前国内外教材的分析中，对此类电子电路的评价主要集中于晶体管数量。如何在设计中减少晶体管的使用量成为设计的主要目标。基于这一考虑，在基本单元层次，发展了AOI电路结构，将“与-或”二级结构形成一个整体，晶体管数量只与初级与门输入的数量相关。在功能设计的层次，引入卡诺图对逻辑方程进行最小化，其目标也是通过减少初级门输入端的数量来实现晶体管数量的减少。上述设计方法能够非常准确地表达数字电路的逻辑体系实现，并能建立组合逻辑的卡诺图分析设计方法和时序逻辑的转移输出表的分析设计方法，为数字电路的规范化设计体系奠定了很好的基础，也构成了目前数字电路设计的理论基础。但在目前的教学体系中，这种设计方法只是将晶体管作为标准开关器件使用。由于缺少有效的评价体系，目前逻辑分析仅停留在简单电路的分析设计，在中规模功能电路的分析设计中，几乎没有采用这一体系。在VLSI的设计时代，对电路性能的评价主要表现为集成度（占用芯片面积、成本）、速度（最长延迟时间、最高时钟频率）和功耗（最大功耗、平均功耗）等指标上。要实现同样的功能，利用逻辑定理可以设计出很多不同结构的电路，最优化成为设计中的中心环节。而要实现这一目标，在基本逻辑结构形成的阶段就需要补充对于相关性能的描述模型。
三、基于中小规模集成块的设计
在上世纪70～80年代，为了应对数字技术的广泛采用，发展了以74系列为代表的各种中小规模集成块。不同领域的用户可以选用尽可能少的通用集成块连接形成电路，满足自己的特殊系统需求。为了使用上的方便，中小规模集成块在外型和I/O端口性能方面都进行了统一标准设计，其输入/输出特性由Data sheet详细规定，用户在使用时可以不忽略其内部电路工艺及逻辑形成方式，只根据设计要求选取对应功能块，根据端口特性设计外部负载连接电路。考虑到通用模块可能需要对模拟器件进行驱动，此类电路通常都配备了强大的对外驱动电路，导致集成芯片中主要部分为I/O部件，逻辑功能部分只占据了集成芯片的次要部分。为了增加模块的通用性，通常会在基本功能的基础上添加许多额外的控制/状态端口（与集成块的总体成本相比，这些添加几乎不增加成本，但能够带来市场上的好处）。由于电路的成本、速度、功耗主要由I/O部件及外壳决定，简单逻辑与复杂功能的模块在价格和速度上相差不大，用户倾向于选用复杂功能模块来构成电路（使用模块的部分功能），而不是选用基本逻辑部件构成电路，电路设计的主要目标成为选择最少逻辑块及最少连线进行设计，与逻辑设计基本脱离关系。在目前的教学体系中，关于逻辑单元静态与动态特性的讨论基本采用这种方式讲解；各种组合功能电路的设计和时序功能电路的设计（二进制计数器、移位寄存器等）都采用此类方式。由于目前的实验条件，以及学生创新活动中自己设计小系统的需要，中小规模集成块仍然具有重要的使用价值，相关内容也就构成了数字电路课程教学中功能设计的主体部分。然而，中小规模集成块作为一种集成度低下的分立设计，其高成本和低速度是其不可避免的缺陷。如何将相应内容与低层逻辑设计合理地结合，将电路性能的评价带入到对不同结构设计的选择上，是解决这一问题的关键。在ASIC设计中，不会无谓地设计不需要用到的所谓多功能扩展，对功能模块的教学改革应该首先着眼于基本功能的最佳实现方式，然后考虑在不同应用中的最佳扩展设计方式。目前基于多功能器件进行设计，利用其部分电路的设计方式对中小规模集成块是优化的方式，但对于片上设计就是一种浪费的设计了。
四、基于HDL的设计
随着计算机技术的广泛采用，数字集成电路的设计也进入EDA时代。HDL使电路的设计描述和仿真验证可以利用计算机工具进行，方便于层次化设计中信息的交流、保存、修改，有效提高了设计效率，降低了设计成本。同时，基于FPDA的设计也成为中间设计的主流方式。为了适应这种发展，现行数字电路课程中开始引入HDL语言的内容，并对各种功能电路的描述编程进行了足够详细的介绍。同时也对FPGA的基本结构进行了介绍。利用这些内容，学生能够方便地使用计算机系统开展各类数字设计，扩大了数字电路的应用教学，通过对设计的仿真也能够更好地理解电路性能与设计的关系，使学生对数字电路设计有更实际的理解，也便于开展课程设计和各种实验活动。HDL是一种硬件电路的描述工具，主要帮助仿真过程的自动进行。而目前关于HDL的教学中，很少将电路逻辑与性能的关系反映到语言描述中，使语言的描述沦为对电路功能的描述，失去了EDA工具的使用本意。对电路性能描述中比较容易的是对延迟时间（或时钟频率限制）的描述。若要进行这方面的描述，HDL必须基于最基本的逻辑单元，设计者应对各种基本部件的时间延迟以及连线负载带来的时间延迟有足够的了解。而电路的功能设计描述则必须基于这种带时间延迟的部件互连设计（结构设计的描述）。此点在目前的HDL的教学中应特别强调。同时需要注意到，这种仿真一定要在与综合无关的工具上进行。对设计集成度的衡量取决于电路设计的综合方式。目前，在EDA设计领域尚未建立一种统一的综合方式，不同的综合工具采用不同的算法结构，综合效率各有不同。虽然综合算法本质上是基于基本逻辑优化理论建立的，但其中涉及的各种数学理论很多，不是数字电路这门课程能够解决的。因此，本课程无法涉足综合领域，也难以将课程内容与综合工具得到的结果形成对应关系。如何将基本理论与综合算法联系起来，形成一个统一的系统，应该是数字电路课程未来一段时间的改革目标。目前，很多的免费EDA工具采用FPGA作为综合的基础，这种综合工具的优点是能够方便地得到所设计电路的评价（占用单元数量、延迟时间、时钟频率）。然而，由于FPGA设计的基础是4输入查找表（等价于4输入卡诺图的最小项和设计），在基本逻辑层次上可以认为未进行任何化简，集成度低、延迟时间长。同时综合工具会根据4输入查找表建立优化算法进行综合，由此将用户进行的结构设计思想抹杀，不利于课程内容的相互衔接。如果要理解其综合结构，就必须首先建立FPGA基本单元和布线方式的电路参数模型，然后在此基础上建立独特的综合算法。目前，本课程难以完成这一任务。
五、统一体系的思考
基于上述分析，可以看到目前数字电路面临的困境，也展现了建立一个统一体系的需求。统一体系应该以电路性能参数（集成度、速度等）作为评价模型，着重考虑ASIC和VLSI设计中的需求。评价模型应该由底层基本器件（晶体管）开始分析建立，继承现有体系中关于逻辑设计的思想，将性能评价延伸到逻辑模块和功能模块层次；逻辑层次的设计中，主要展现功能的不同结构实现方式，为电路设计提供灵活性；而在功能层次的设计中，则通过对不同结构的性能进行比较，确定电路的最佳形成方式。HDL的设计应该将速度的评价融入到电路结构的描述中，并通过仿真工具的应用使这一评价能够推广到大系统中，对同步时序设计提供支持。
参考文献：
[1]姜书艳，罗刚，吕小龙，邓罡，周启忠.片上网络互连串扰故障模型的研究及改进[J].电子测量技术，2012，35（4）：123-127.
[2]姜书艳，罗刚，吕小龙，金卫，谢暄.90nm和65nm工艺下片上网络互连串扰故障模型分析[J].电子测量与仪器学报，2012，26（3）：267-272.
[3]艾明晶.基于自动设计方法的数字逻辑课程改革研究与实践[J].实验技术与管理，2012，29（9）：151-155.
[4]张苹珍，王俊峰，仲涛.VHDL在数字逻辑电路设计中的应用方法[J].信息通信，2012，（5）：96-97.
[5]张丽杰，吕少中.QuartusⅡ软件在数字逻辑电路教学中的应用[J].软件导刊，2012，11（4）：199-200.
[6]曹维，徐东风，孙凌洁.基于CDIO理念的数字逻辑实践教学探索[J].计算机教育，2012，（12）：75-77.
[7]Frank Vahid. Digital Design with RTL Design，VHDL，and Verilog，A John Wiley & Sons，Inc.，Publication.2011：41-48.
电路设计思想范文第2篇
关键词： HLSAD； 放大电路； AD构件； 分辨率
中图分类号：TP211 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2012）12-31-03
Design of HLSAD
Cao Zhenhua
（Suzhou Institute of Trade & Commerce， Suzhou， Jiangsu 215009， China）
Abstract： AD modules are widely used in medical devices， industrial control， and consumer electronic products. With the improvement of device control accuracy， the resolution requirements of AD module are getting higher and higher. Nowadays， the cost of the high resolution AD module is high and one AD module cannot have a different resolution in segments. In this paper， based on the research of the low-cost， low-performance AD module and amplifier circuit， a kind of high-performance， low-cost AD module （HLSAD） that can be segmented is designed. The module had been used in the Jiangsu provincial level and Suzhou municipal projects， which achieved good results.
Key words： HLSAD； amplifier circuit； AD module； resolution
0 引言
AD构件一般包括AD前端放大电路和AD采集两部分，对于微弱信号，需要用放大电路进行信号放大，然后通过AD采集电路将模拟信号转换成数字信号，从而方便后端信号处理。
1 AD构件的现状及发展趋势
1.1 AD前端放大电路现状
AD前端放大电路负责将传感器中微弱的信号转换成适合AD采集部分采集到的信号，一般由放大器、滤波电路及其配套电路组成，其中放大器是核心部分，决定了整个AD前端放大电路的性能和质量。放大器只对信号进行放大，并不进行模拟/数字转换，目前有模拟信号放大器和数字信号放大器之分，市面上主流的是模拟信号放大器。现阶段几乎每个完整的电子产品中都离不开放大器，而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用[1]。
放大器历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电路，根据不同的应用需求主要分化为通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。一般而言，高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA等以电池供电的便携式电子产品；高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。这三种放大器是针对某些领域的特定需求设计的，针对性强，功能强大，但价格偏高[2，3]。通用放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放，其价格相对比较便宜，但是性能方面略低。
1.2 AD前端放大电路发展趋势
AD前端放大电路的两个部分是相互配合使用的，无论哪个部分工作出现问题，都会导致整个AD前端放大电路部分不能正常工作，所以要求设计人员对电路设计既有过硬的技术又有丰富的经验，因为一些初级电子工程师往往无法做出稳定可靠的电子产品。
目前较有实力的公司（如AD、TI等公司）开始将AD前端放大电路集成在一起，设计生产出了单片集成AD前端放大电路，内部集成了放大器功能及放大器配套电路功能，大大简化了电子产品设计流程，用户只需要进行简单滤波，就可以把传感器信号直接接入到集成芯片上，完成信号变换功能，这已经成为AD前端放大电路的主流发展趋势[4]，但此类产品价格一般比较高，比如普通LM358放大器成本在几毛钱，而集成了附加电路的前端放大产品价格在20元左右，价格相差悬殊，不适合用于普通民用产品。
1.3 AD采集部分现状及发展趋势
在独立性方面，目前AD采集部分可以分为两类，一类是独立的AD构件，如常见的TLC2543等，另一类是将独立AD构件集成到微处理器MCU或者数字处理芯片中，如freescale公司的MCU大部分都集成了AD构件。前者不能独立使用，必须配合处理单元才能完成信号采集处理工作，而后者在MCU的协助下，完成后期信号处理，总体价格比较便宜。在民用领域，与MCU集成在一起的AD构件成为发展的主流，使用量越来越大，独立的AD模块主要向高端使用领域发展[5]。
在分辨率方面，目前AD采集部分有4位、8位、10位和12位之分，最高的达到24位甚至32位，但是高分辨率的AD构件价格太高，不适合普通场合使用。目前常用的且价格适中的分辨率为12位精度，独立模块的价格在十元左右，集成到MCU中适合普通场所使用的一般总体价格在3～20元不等。
2 HLSAD模块的设计实现
本文使用集成在MCU内部的廉价AD模块，配合简单电路，设计了一款成本低廉、性能可靠并且可分段调节AD采样精度的HLSAD模块，适合民用领域使用要求。
2.1 HLSAD可分段局部高精度设计
在一些具体应用场所中，要求不同AD范围设备做出不同的反应，所以，根据具体应用场所，需要对AD采集电路做适当设计，使之可分段处理。
2.1.1 HLSAD可分段局部高精度设计缘由
在全自动鸡苗孵化控制设备中，对鸡苗孵化场的温度和湿度要求非常高，温度高了或者低了就会导致鸡苗孵出率降低；湿度过高会导致孵出的鸡苗大肚子，湿度过低会导致蛋壳过硬，鸡苗啄不开蛋壳而闷死，所以温度和湿度要严格控制在预定范围内。拿温度来讲，比如温度在22℃～25℃范围以外，采用精度要求比较低，那么系统就可以进行简单采样，低于22度时加足马力加热，而高于25度时加足马力降温，使环境温度迅速到达合适温度范围；如果环境温度在22℃～25℃之间，如果过快加热或者制冷，就会导致温度波动幅度过大，因此在控制中对采用精度要求较高，按照采用数据对压缩机进行准确的功率控制，将温度控制在某个温度点上，从而快速准确地将温度控制在预定温度点上。
2.1.2 HLSAD可分段局部高精度设计思想
对于固定的AD采样模块，它的采样精度是固定的，所以按照使用环境的不同调整某一路AD通道的采样精度是不现实的，本文采用调整前端AD放大电路的方法，巧妙地实现了HLSAD可分段设计，如图1所示。
图1中，同一个传感器输出的信号，通过两路AD前端放大电路的放大处理后，输入到单片机的两个AD采集通道中，虽然两路AD采用精度相同，但是两路AD前端放大电路的放大倍数不同，基准电压也不同，所以输入到单片机里面的信号分辨率精度也就不同，从而实现了HLSAD可分段设计。
2.1.3 HLSAD可分段设计
在实际项目中，温度传感器输出0-50mv电压信号，对应温度范围为0℃～50℃，单片机内集成8通道8位AD构件，实际温度控制在22.5℃温度点上。
按照HLSAD可分段设计设计思想，AD前端放大电路1的基准电压为0，实际信号与0V差分放大，放大倍数为100，输入到AD通道1中，那么AD前端放大电路1有效输入信号范围为0～50mv，有效输出信号范围为0～5v，对应温度范围为0℃～50℃，AD构件为8位，所以最高采样精度为（50℃-0℃）/28=0.2℃。
AD前端放大电路2的基准电压为20mv，实际信号与20mv差分放大，放大倍数为500，输入到AD通道2中，那么AD前端放大电路2有效输入信号最小值为20mv，有效输出信号最小值为（IN-20mv）*500=（20mv-20mv）*500=0v，有效输入信号最大值为50mv，有效输出信号最大值为（IN-20mv）*500=（50 mv-20mv）*500=15v，由于供电电压为5v，所以真实输出有效值为5v，反推出有效输入值为30mv，因此AD前端放大电路2有效输入信号范围为20mv～30mv，对应温度范围为20℃～30℃， AD构件为8位，所以最高采样精度为（30℃-20℃）/28=0.04℃。
通过上面的计算，系统可以在环境温度为0℃-20℃或者30℃-50℃时采样AD通道1的数据，采样精度仅有0.2℃，但是当环境温度在20℃-30℃时采样AD通道2的数据，可以使采样精度提高到0.04℃，提高了50倍，0.04℃的温度波动都能被系统捕获，因此系统不但能实现全温度范围控制覆盖，而且能保证在23℃温度点上得到精准控制。
2.2 HLSAD全范围不分段高精度设计
在某些应用领域，需要对全温度范围进行精准控制，无需分段，但是成本控制非常严格，也可以采用如图1所示的设计思想进行设计，有效降低设计成本，并全范围成倍提高采样精度。
本文HLSAD全范围不分段高精度设计的思想与图1一致，只是电路参数需要稍微调整，比如在实际项目中需要16位或者更高位数精度要求，单片机内只有8位精度AD构件，一种解决方法是购买独立高精度AD模块，但是成本会增加很多，本文采用的方式是利用单片机内部多余的AD模块，提高系统采用精度，不增加任何成本。
按照图1的设计，同一个温度传感器的输出信号输出到两路AD前端放大电路中，AD前端放大电路1中，通过调整分压可调电阻，使基准电压为0V；通过调整放大倍数可调电阻，使放大倍数调整为200，因此，按照2.1.3节的计算方法可以计算出，AD前端放大电路1的有效输入为0mv-25mv，有效输出温度范围为0℃-25℃。同样的道理，AD前端放大电路2中，通过调整分压可调电阻，使基准电压为25mv；通过调整放大倍数可调电阻，使放大倍数调整为200。因此，按照2.1.3节的计算方法可以计算出AD前端放大电路2的有效输入为25mv-50mv，有效输出温度范围为25℃-50℃。那么整体采样精度=（25℃-0℃）/28=（50℃-25℃）/28=0.1℃，因此，采样精度提高了一倍。
3 应用实例与小结
本文以2012年江苏省高校科研成果产业化推进项目《基于3G的物联网平安家居系统的研发及产业化（项目编号为JHZD2012-51）》为实例说明HLSAD模块的使用。本项目要求温度范围为15℃-45℃，稳定温度点位28℃，按照HLSAD模块设计思想，系统将温度分为26℃以下、30℃以上和28℃-30℃三段，在第一段和最后一段中分辨率要求稍低，为0.2℃，在28℃-30℃这一段中分辨率要求较高，为0.05℃，利用2.1 HLSAD可分段局部高精度设计思想，可以轻松实现温度控制的要求。另外，系统中只有一路温度和一路湿度值需要采集，所以有6路AD采集通道空闲，利用2.2 HLSAD全范围不分段高精度设计可以进一步提高系统中温湿度的分辨率。本项目采用的电路如图2所示。
本设计中，放大器采用LM324，成本只有0.5元左右，控制芯片MCU采用美国ATMEL公司生产的普通八位单片机EM78P259NSO14，成本在1.0元左右，所以系统在保证了高分辨率的同时，大大降低了硬件成本。
4 结束语
本文设计的HLSAD模块分别在2012年江苏省高校科研成果产业化推进项目《基于3G的物联网平安家居系统的研发及产业化（项目编号为JHZD2012-51）》和2012年苏州市科技支撑计划项目《基于TD-LTE的物联网平安家居系统的研发应用（项目编号为SG201256）》中表现出了良好的特性。
参考文献：
[1] 安然.基于AD9273的医用全数字B超成像系统前端电路设计与研
究[D].华中科技大学硕士学位论文，2012
[2] 幸坤涛，刘晓文.基于8通道高压开关HV20220的B超探头电路设
计[J].电子世界，2009.7：48-50
[3] Art Kay.运算放大器电路固有噪声的分析与测量[J].世界电子元器
件，2010.6：41-44
[4] 王三强，何为，石坚.新型脑电信号前置级放大电路设计[J].重庆大学
学报（自然科学版），2006.6：51-53
电路设计思想范文第3篇
1.1主控制板硬件电路设计
主控制板硬件电路设计包括：LPC1766芯片供电模块、电源电路、数据存储模块、时钟电路、USB输入输出接口、19264液晶显示屏控制电路、掉电复位保护电路、剑杆毛巾织机运行状态信号量输入模块、起毛伺服控制器接口、键盘接口电路以及电子多臂龙头控制板、伺服电机连接控制板与8色选纬控制板的接口等电路模块的设计、验证与制作调试工作。
1.2卷取伺服电机连接控制板设计
卷取伺服电机连接控制板主要解决主控制板与卷取系统的伺服电机控制器之间的通信问题，具有独立的控制芯片STCF1104。该连接控制板与主控制板之间的通信采用RS232实现。卷取伺服电机连接控制板与伺服控制器之间需要实现伺服使能信号、伺服硬件异常报警信号、伺服系统定位完成、伺服电机旋转方向与脉冲数等信息的读取与设置。
2控制系统软件设计
剑杆毛巾织机控制系统的软件将以实时嵌入式系统μC/OS-II与FAT32文件管理系统为平台进行开发。其设计流程如下：
（1）在控制系统方案设计：
首先，进性详细的市场调研，分析市场上主流的剑杆织机控制系统（包括平布与毛巾织机）的功能特点，借鉴其好的设计思想，使其为我所用，并设法改进其不足之处，确保设计的剑杆毛巾织机控制系统符合当前的技术潮流，并具有自己的特色。其次，与合作单位的机械部件设计人员进行充分的交流，在深刻领会其整机设计思想、织机控制要求与控制系统制造成本要求后撰写剑杆毛巾织机控制系统用户需求分析报告与总体方案设计报告，并提交合作单位审核通过。确保项目研究成果能在合作单位使用推广，并被市场接受。
（2）控制系统详细设计：
首先，详细分析毛巾织造工艺流程，理清剑杆毛巾织机控制信息点、研究织机动作时序，确立控制时间节点与控制信息间的逻辑关系。其次，根据用户需求分析报告，对总体方案进行细化，提出各个控制模块与相关控制算法的具体实现方案，并完成关键芯片与外购部件的选型工作。
（3）控制系统软件编写：
首先，选择合适的软件开发工具，建立嵌入式系统开发环境，并完成嵌入式实时操作系统μC/OS-II与FAT32文件系统在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系统所有控制信息之间的逻辑关系，编写控制系统软件流程图与状态向量图。再次，对控制系统软件进行模块划分，编写各个子函数的输入输出接口，并设计控制信息数据结构模型与控制算法。最后，项目组软件编写人员通过分工合作完成软件代码编写与调试。
（4）剑杆毛巾织机控制系统调试：
在完成控制系统硬件电路制作与控制软件设计后进行系统软硬件联合调试，验证各项控制功能是否完备、织机动作流程控制是否合理、各个控制模块工作是否稳定。通过软硬件联合调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误。
（5）剑杆毛巾织机整机调试：
在完成控制系统软硬件调试后，将剑杆毛巾织机控制系统安装到合作单位提供的样机上进行整机调试，验证剑杆毛巾织机的整机功能是否达到设计标准、能否正确合理完成毛巾布料制造全部工艺流程与安全性要求。通过整机调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误，使得设计开发的控制系统达到设计要求。
3结束语
设计完成的毛巾剑杆织机控制系统具有以下特点：
（1）设计了电子送经、伺服卷取功能模块。由变频器、交流电机与接近式张力传感器组成的电子送经机构实现了毛巾织造过程中相对稳定的经纱张力控制，简化了机械结构，又具有成本优势。伺服卷取机构实现了变纬密织造、毛巾须长停车自走、定位停车后自动补偿消除停车挡等功能，并简化了机械零部件设计，如取消纬密齿等。
（2）在不增加硬件设备情况下，设计了软件自动寻纬算法，能提高布面拼挡效果，而且将减轻挡车工的劳动强度与操作技能要求。
（3）在起毛高度控制中，采用伺服电机控制起毛凸轮的转动角度，实现了毛巾织物起毛高度在设计范围内任意变化，能够实现波浪型花纹编织。
电路设计思想范文第4篇
关键词：模拟 集成电路 设计 自动化综合流程
中图分类号：TN431 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0062-02
随着超大规模集成电路设计技术及微电子技术的迅速发展，集成电路系统的规模越来越大。根据美国半导体工业协会（SIA）的预测，到2005年，微电子工艺将完全有能力生产工作频率为3.S GHz，晶体管数目达1.4亿的系统芯片。到2014年芯片将达到13.5 GHz的工作频率和43亿个晶体管的规模。集成电路在先后经历了小规模、中规模、大规模、甚大规模等历程之后，ASIC已向系统集成的方向发展，这类系统在单一芯片上集成了数字电路和模拟电路，其设计是一项非常复杂、繁重的工作，需要使用计算机辅助设计（CAD）工具以缩短设计时间，降低设计成本。
目前集成电路自动化设计的研究和开发工作主要集中在数字电路领域，产生了一些优秀的数字集成电路高级综合系统，有相当成熟的电子设计自动化（EDA）软件工具来完成高层次综合到低层次版图布局布线，出现了SYNOPSYS、CADENCE、MENTOR等国际上著名的EDA公司。相反，模拟集成电路自动化设计方法的研究远没有数字集成电路自动化设计技术成熟，模拟集成电路CAD发展还处于相当滞后的水平，而且离实用还比较遥远。目前绝大部分的模拟集成电路是由模拟集成电路设计专家手工设计完成，即采用简化的电路模型，使用仿真器对电路进行反复模拟和修正，并手工绘制其物理版图。传统手工设计方式效率极低，无法适应微电子工业的迅速发展。由于受数/模混合集成趋势的推动，模拟集成电路自动化设计方法的研究正逐渐兴起，成为集成电路设计领域的一个重要课题。工业界急需有效的模拟集成电路和数模混合电路设计的CAD工具，落后的模拟集成电路自动化设计方法和模拟CAD工具的缺乏已成为制约未来集成电路工业发展的瓶颈。
1 模拟集成电路的设计特征
为了缩短设计时间，模拟电路的设计有人提出仿效数字集成电路标准单元库的思想，建立一个模拟标准单元库，但是最终是行不通的。模拟集成电路设计比数字集成电路设计要复杂的得多，模拟集成电路设计主要特征如下。
（1）性能及结构的抽象表述困难。数字集成电路只需处理仅有0和1逻辑变量，可以很方便地抽象出不同类型的逻辑单元，并可将这些单元用于不同层次的电路设计。数字集成电路设计可以划分为六个层次：系统级、芯片级（算法级），RTL级、门级、电路级和版图级，电路这种抽象极大地促进了数字集成电路的设计过程，而模拟集成电路很难做出这类抽象。模拟集成电路的性能及结构的抽象表述相对困难是目前模拟电路自动化工具发展相对缓慢，缺乏高层次综合的一个重要原因。
（2）对干扰十分敏感。模拟信号处理过程中要求速度和精度的同时，模拟电路对器件的失配效应、信号的耦合效应、噪声和版图寄生干扰比数字集成电路要敏感得多。设计过程中必须充分考虑偏置条件、温度、工艺涨落及寄生参数对电路特性能影响，否则这些因素的存在将降低模拟电路性能，甚至会改变电路功能。与数字集成电路的版图设计不同，模拟集成电路的版图设计将不仅是关心如何获得最小的芯片面积，还必须精心设计匹配器件的对称性、细心处理连线所产生的各种寄生效应。在系统集成芯片中，公共的电源线、芯片的衬底、数字部分的开关切换将会使电源信号出现毛刺并影响模拟电路的工作，同时通过衬底祸合作用波及到模拟部分，从而降低模拟电路性能指标。
（3）性能指标繁杂。描述模拟集成电路行为的性能指标非常多，以运算放大器为例，其性能指标包括功耗、低频增益、摆率、带宽、单位增益频率、相位余度、输入输出阻抗、输入输出范围、共模信号输入范围、建立时间、电源电压抑制比、失调电压、噪声、谐波失真等数十项，而且很难给出其完整的性能指标。在给定的一组性能指标的条件下，通常可能有多个模拟电路符合性能要求，但对其每一项符合指标的电路而言，它们仅仅是在一定的范围内对个别的指标而言是最佳的，没有任何电路对所有指标在所有范围内是最佳的。
（4）建模和仿真困难。尽管模拟集成电路设计已经有了巨大的发展，但是模拟集成电路的建模和仿真仍然存在难题，这迫使设计者利用经验和直觉来分析仿真结果。模拟集成电路的设计必须充分考虑工艺水平，需要非常精确的器件模型。器件的建模和仿真过程是一个复杂的工作，只有电路知识广博和实践经验丰富的专家才能胜任这一工作。目前的模拟系统验证的主要工具是SPICE及基于SPICE的模拟器，缺乏具有高层次抽象能力的设计工具。模拟和数模混合信号电路与系统的建模和仿真是急需解决的问题，也是EDA研究的重点。VHDL-AMS已被IEEE定为标准语言，其去除了现有许多工具内建模型的限制，为模拟集成电路开拓了新的建模和仿真领域。
（5）拓扑结构层出不穷。逻辑门单元可以组成任何的数字电路，这些单元的功能单一，结构规范。模拟电路的则不是这样，没有规范的模拟单元可以重复使用。
2 模拟IC的自动化综合流程
模拟集成电路自动综合是指根据电路的性能指标，利用计算机实现从系统行为级描述到生成物理版图的设计过程。在模拟集成电路自动综合领域，从理论上讲，从行为级、结构级、功能级直至完成版图级的层次的设计思想是模拟集成电路的设计中展现出最好的前景。将由模拟集成电路自动化综合过程分为两个过程。
模拟集成电路的高层综合、物理综合。在高层综合中又可分为结构综合和电路级综合。由系统的数学或算法行为描述到生成抽象电路拓扑结构过程称为结构级综合，将确定电路具体的拓扑结构和确定器件尺寸的参数优化过程称为电路级综合。而把器件尺寸优化后的电路图映射成与工艺相关和设计规则正确的版图过程称为物理综合。模拟集成电路自动化设计流程如图1所示。
2.1 模拟集成电路高层综合
与传统手工设计模拟电路采用自下而上（Bottom-up）设计方法不同，模拟集成电路CAD平台努力面向从行为级、结构级、功能级、电路级、器件级和版图级的（Top-down）的设计方法。在模拟电路的高层综合中，首先将用户要求的电路功能、性能指标、工艺条件和版图约束条件等用数学或算法行为级的语言描述。目前应用的SPICE、MAST、SpectreHDL或者不支持行为级建模，或者是专利语言，所建模型与模拟环境紧密结合，通用性差，没有被广泛接受。IEEE于1999年3月正式公布了工业标准的数/模硬件描述语言VHDL-AMS。VHDL-1076.1标准的出现为模拟电路和混合信号设计的高层综合提供了基础和可能。VHDL一AMS是VHDL语言的扩展，重点在模拟电路和混合信号的行为级描述，最终实现模拟信号和数模混合信号的结构级描述、仿真和综合125，28]。为实现高层次的混合信号模拟，采用的办法是对现有数字HDL的扩展或创立新的语言，除VHDL.AMS以外，其它几种模拟及数/模混合信号硬件描述语言的标准还有MHDL和Verilog-AMS。
2.2 物理版图综合
高层综合之后进入物理版图综合阶段。物理综合的任务是从具有器件尺寸的电路原理图得到与工艺条件有关和设计规则正确的物理版图。由于模拟电路的功能和性能指标强烈地依赖于电路中每一个元件参数，版图寄生参数的存在将使元件参数偏离其设计值，从而影响电路的性能。需要考虑电路的二次效应对电路性能的影响，对版图进行评估以保证寄生参数、器件失配效应和信号间的祸合效应对电路特性能影响在允许的范围内。基于优化的物理版图综合在系统实现时采用代价函数表示设计知识和各种约束条件，对制造成本和合格率进行评估，使用模拟退火法来获取最佳的物理版图。基于规则的物理版图综合系统将模拟电路设计专家的设计经验抽象为一组规则，并用这些规则来指导版图的布线布局。在集成电路物理综合过程中，在保证电路性能的前提下，尽量降低芯片面积和功耗是必要的。同时应当在电路级综合进行拓扑选择和优化器件尺寸阶段对电路中各器件之间的匹配关系应用明确的要求，以此在一定的拓扑约束条件下来指导模拟集成电路的版图综合。
模拟电路设计被认为是一项知识面广，需多阶段和重复多次设计，常常要求较长时间，而且设计要运用很多的技术。在模拟电路自动综合设计中，从行为描述到最终的版图过程中，还需要用专门的CAD工具从电路版图的几何描述中提取电路信息过程。除电路的固有器件外，提取还包括由版图和芯片上互相连接所造成的寄生参数和电阻。附加的寄生成分将导致电路特性恶化，通常会带来不期望的状态转变，导致工作频率范围的缩减和速度性能的降低。因此投片制造前必须经过电路性能验证，即后模拟阶段，以保证电路的设计符合用户的性能要求。正式投片前还要进行测试和SPICE模拟，确定最终的设计是否满足用户期望的性能要求。高层综合和物理综合从不同角度阐述了模拟集成电路综合的设计任务。电路的拓扑选择和几何尺寸可以看成电路的产生方面，物理版图综合得到模拟集成电路的电路版图，可以认为电路的几何设计方面。
参考文献
电路设计思想范文第5篇
关键词：工程需求；集成电路设计；实践；验证
中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）44-0089-02
集成电路设计是学科交叉特性显著的一个学科，且其发展日新月异，技术更新非常快，而其主要的更新点体现在工艺水平、设计思想和设计手段上。例如，在设计SOC等大规模集成电路时，设计者首先要全方位地把握系统的主体框架，另外还要注重各个环节中的细节，有效利用EDA软件来精确地实现设计并验证其正确性。目前大多数高校开设的集成电路设计课程融入了多媒体教学，但多媒体教学多局限于PPT课件教学，虽然在教学内容上与过去的板书教学相比得到了很大的扩充，但从教学体系上说对于工程化设计流程的介绍缺乏连贯性、完整性，各个知识点的介绍相对来说较为孤立，学生对所学知识的理解无法融会贯通，对工程化设计的理解停留在概念的层面上。目前课程安排中普遍采用理论教学为主，存在实践环节过少、实践环节不成完备体系等问题。学生工程实践能力不能得到有效提升，用人单位需要花大量的时间和人力对应届学生进行培训；学生容易产生挫折情绪，不能快速适应岗位需求。本教改通过对目前国内急需集成电路设计人才的现状的思考，对集成电路设计课程的教学进行改革，实施以工程需求为导向，以工程界典型数字集成电路设计和验证流程为主线的闭环式教学。在国家急需系统级集成电路设计实用型工程人才的指导思想下，在工科院校要培养能为社会所用工程人才的办学宗旨下，以开发学生潜力、提高学生自主学习积极性为目的，结合用人单位的用人需求，我院集成电路设计课程尝试闭环教育，即课程的章节设置参照工程界数字集成电路系统的典型设计流程，知识内容涵盖从设计到流片生产甚至测试的每一个环节，而每一个重要环节都有工程实验与之相对应，形成完备的闭环知识体系。本教改项目闭环教育可分为理论教育环节和实验教育环节。
一、理论教育环节
闭环教育中的理论教育以工程界大型数字集成电路设计的典型流程为教学切入点，然后以该流程为主线介绍各个阶段涉及的理论知识和可供使用的EDA软件，每次进入下一设计阶段的讲解前，都会重新链接至流程图，见图1所示。反复出现的设计流程图，一方面可以加深学生对设计流程的印象；另一方面针对当前内容在流程中出现的位置，突出当前设计阶段与系统设计的整体关联，加强学生对各个设计阶段的设计目的、设计方法、EDA软件中参数设定偏重点的理解。这种教育方法区别于传统的单纯的由点及面的教育方法，避免出现只见树木不见森林的情况，能够在注重细节的同时加强整体观念。
二、实践教育环节
实践教育环节主要是指与理论教育相配套结合的系列实验。针对每个设计阶段都安排相应的较为全面的实验，与该阶段的理论知识形成闭环。而且，所有的实验基本可按照从系统设计开始到流片、测试的完整设计流程串接起来。
图1 大型数字集成电路设计的典型流程
实验指导书撰写了前端设计内容，在数字集成电路系统初期的系统分析、功能模块划分、具体硬件语言描述编译阶段，加入以硬件语言描述、编译、仿真为偏重的上机实验，目的是学习良好的系统全局观，掌握过硬的代码编写能力，并将设计下载至FPGA中作为初步的硬件设计验证手段；撰写了后端设计内容，采用Cadence公司的自动布局布线器SE进行布局布线，介绍面向数字化集成电路的标准化单元概念及其相关工艺库文件的作用，着重讲授从网表到版图的转化过程以及需要注意的问题，如电源网络的合理布局、时钟网络的时序匹配及平衡扇出等方面的考虑。利用版图编辑器Virtuoso Layout进行版图验证，介绍标准单元版图与定制版图的区别、版图设计与工艺制程的关系，重点在于使学生在对版图建立感性认识的同时对IP保护有更深层次的理解。Verilog仿真器进行版图后仿真实验，强调版图寄生参数对系统功能、时序的影响，后仿真时序文件反标的含义；明确后仿真对于保证设计正确性的意义；培养认真负责的验证思想。
实践教育环节大致分为前端设计阶段、后端设计阶段、测试阶段。
1.前端设计阶段。在数字集成电路系统初期的系统分析、功能模块划分、具体硬件语言描述编译阶段，加入以硬件语言描述、编译、仿真为偏重的上机实验，目的是学习良好的系统全局观，掌握过硬的代码编写能力，并将设计下载至FPGA中作为初步的硬件设计验证手段。
2.后端设计阶段。针对数字集成电路的特点，安排面向MPW流片的实验，介绍将电路转化为高可靠性版图的主要步骤。该实验分三个阶段：①采用Cadence公司的自动布局布线器SE进行布局布线，介绍面向数字化集成电路的标准化单元概念及其相关工艺库文件的作用，着重讲授从网表到版图的转化过程以及需要注意的问题，如电源网络的合理布局、时钟网络的时序匹配及平衡扇出等方面的考虑；②版图编辑器Virtuoso Layout进行版图验证，介绍标准单元版图与定制版图的区别、版图设计与工艺制程的关系，重点在于使学生在对版图建立感性认识的同时对IP保护有更深层次的理解；③Verilog仿真器进行版图后仿真实验，强调版图寄生参数对系统功能和时序的影响、后仿真时序文件反标的含义，明确后仿真对于保证设计正确性的意义，培养认真负责的验证思想。
电路设计思想范文第6篇
【关键词】混合动力客车;整车控制器;硬件电路;硬件在环仿真
1.引言
混合动力客车整车控制器（HCU）是整车系统的控制核心，对整车各个环节进行管理、协调和监控，其性能好坏直接决定着HEV能否达到理想的控制目标。因而，设计精度高、速度快、可靠性好的整车控制器是实现混合动力客车整车控制的前提和基础。本文以吉林省科技厅项目为依托，针对混合动力客车试验台架进行整车控制器硬件电路设计。试验结果表明所设计的HCU运行精度、速度及可靠性能够满足混合动力客车的控制要求。
2.整车控制器硬件电路总体设计方案
由于整车各电控系统的电路功能相对独立，可以清晰地划分为不同的单元，故整车控制器的硬件设计方案采用了模块化的设计方法。本文硬件电路包括：以MC9S12XS128作为主控芯片的最小系统模块、输入开关信号处理电路，输出开关信号处理电路、输入模拟信号处理电路，输出模拟信号处理电路、输入脉冲信号处理电路，输出脉冲信号处理电路、CAN总线通讯模块及SCI串行口通信模块。控制系统总体结构框图如图1所示。
图1 整车控制器结构原理框图
3.整车控制器硬件电路主要模块设计
3.1 电源电路的设计
电源模块的作用是给整车控制器主控芯片及各功能芯片供电。如图2所示，本文采用LM2940-12V和LM2576-5V二级降压式电源电路相结合的方式[80，81]，该电路具有去除电源纹波、抗电磁干扰、性价比高和稳定性强的特点，具有广泛的车载电源适应性。
图2 电源电路
3.2 输入信号处理模块设计
3.2.1 输入开关信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的开关信号包括：钥匙位置开关、变速器档位开关、充电开关、空调开关和制动开关等。发动机、离合器、电动机以及蓄电池的ECU等都是通过开关量来进行控制。本文采用光电隔离的方法对来自各传感器的开关信号进行处理， 以防止混合动力汽车上的强电磁干扰，同时对电路进行了滤波处理，滤除信号上的毛刺干扰。
图3 输入开关信号处理电路
3.2.2 输入模拟信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的模拟信号包括：加速与制动踏板位置信号、节气门位置信号等。为增强系统的可靠性，需要先经过滤波、放大整形及限幅等处理，再送入微处理器进行A/D转换处理。
图4 输入模拟信号处理电路
3.2.3 输入脉冲信号处理电路
输入到整车控制器（HCU）的脉冲信号包括：车速信号、发动机与电机的转速信号等，这些信号均通过霍尔传感器来测量。霍尔传感器根据转速信号盘上的转速产生相应频率的脉冲，再经过整形、稳压、滤波处理后送入运算放大器，信号进一步通过光电耦合器隔离后，传输至HCU主控芯片。
图5 输入脉冲信号处理电路
3.3 输出信号处理模块设计
3.3.1 输出开关信号处理电路
混合动力汽车上的蓄电池组、电机及其控制器等部件在工作时需要风扇或水循环散热，常用的方法是通过电子开关来控制相应风扇及水泵的继电器。本文采用TPL251进行光电隔离以防止混合动力汽车上的强电磁干扰，采用SSR 1N60B进行驱动，用于提高输出电路的带负载能力。
图6 输出开关信号处理电路
3.3.2 输出模拟信号处理电路
由于微控制器不能直接输出模拟信号，故本文选用DAC0832首先将数字量转化为模拟信号，并进一步通过RC低通滤波电路以及电压跟随器的阻抗匹配后向发动机管理系统发送模拟信号。
图7 输出模拟信号处理电路
3.3.3 输出脉冲信号处理电路
混合动力汽车中油道压力的控制及离合器的接合均需要电磁阀来控制。本文选用IRF540作为电磁阀驱动器件，选用TLP250作为MOS管的驱动芯片，共同构成PWM电磁阀驱动电路，通过调节PWM值，改变MOS管栅极与源极间电压有效值，进而改变漏极电流，最终实现PWM信号对电磁阀的控制。
图8 输出脉冲信号处理电路
3.4 CAN通讯模块设计
CAN总线用于实现整车控制器与各二级控制器之间的通讯，本文采用PCA82C250芯片作为CAN收发器， CAN通讯模块电路图如图9所示。
图9 CAN通讯模块电路设计
4.硬件系统功能验证
利用硬件在环仿真系统对HCU的控制功能进行测试，测试结果如图10所示。
从万有特性可以看出，随着发动机扭矩的提升，其燃油消耗率降低，且其经济区较为宽广。从发动机工作点分布可以看出，发动机工作运行点大部分处于高效区域内，节油潜力得到充分发挥。
图10 发动机万有特性及工作点
图11 发动机转矩动态时间历程曲线
从混合动力客车转矩动态响应时间历程可以看到，发动机能够很快的响应驾驶员的需求转矩，其转矩波动很小，整车动力性及舒适性较好。
图12 SOC时间历程曲线
从SOC时间历程曲线可以看出，SOC平衡性满足要求。从而达到了在保证整车动力性和SOC平衡性的前提下，提高HEV的经济性的控制目标。
5.结论
本章首先提出了混合动力客车整车控制器硬件电路总体设计方案，在此基础上按照模块化设计思想对HCU最小系统模块、输入信号处理模块、输出信号处理模块、CAN总线通讯模块进行了设计。最后利用硬件在环仿真系统对HCU的控制功能进行测试，测试结果表明所开发的混合动力客车硬件控制电路能够稳定工作， 能够满足混合动力客车的目标控制功能并实现目标控制策略。
参考文献
[1]张翔.纯电动汽车整车控制器进展[J].汽车电器，2011 （2）：1-5.
[2]潘凯.基于MPC555的混合动力电动汽车整车控制器硬件系统设计[J].汽车工程，2005，27（1）：20-23.
[3]刘伟.基于MC9S12XS128微控制器的智能车硬件设计[J].电子设计工程，2010，18（1）：102-105.
[4]吴清荣，丁跃军.PIC单片机低功耗设计[J].制造业自动化，2011，33（3）：140-142.
[5]张良.用MAX813L设计单片机看门狗与电源监控电路[J].单片机与嵌入式系统应用，2001（5）：51-52.
[6]李至浩.混联式混合动力汽车整车控制器硬件系统设计[J].机械与电子，2011（9）：16-20.
电路设计思想范文第7篇
集成电路技术的发展，使集成电路和处理器的关系密不可分。随着多核技术的出现，处理器已经变成构成系统级芯片（SoC）的基本单元，因此，从集成电路的功能级设计层面讲，计算机系统设计实现采用的方法就是大规模集成电路（VLSI）系统的设计方法。从卓越人才培养的角度，VLSI系统设计是微处理器的逻辑实现手段，而数字逻辑是计算机组成的物理实现基础。学生的数字逻辑系统设计能力和VLSI系统设计能力直接决定了其计算机系统设计能力。因此提升学生计算机系统设计能力的关键是提升学生的数字逻辑系统设计能力和VLSI系统设计能力。为了切实提高计算机工程专业方向本科学生的计算机系统设计能力，教学改革研究工作的目标确定为：以数字逻辑设计方法为设计基础、以硬件描述语言为设计工具、以硬件仿真系统为设计环境、以FPGA为系统实现手段、以计算机系统设计实现为目标和主线，将计算机系统设计实践完整地贯穿于专业核心课程之中；教学改革研究思路确定为：系统视角、整体优先、设计牵引、讲做结合、注重能力。该研究思路不同于一般的课程群，不是简单的知识点的审视，是“自顶向下”的观点和“自底向上”的实现的一种结合方法，最终目标是提升计算机工程专业方向本科学生的计算机系统设计能力。
2研究内容
计算机工程专业方向的主干课程包括数字逻辑、计算机组成原理、汇编语言、计算机系统结构、嵌入式系统、计算机设计与调试、计算机系统设计、VLSI系统设计等。课程各有目标，课程之间有宏观上的先后顺序，有微观上的相互穿插，有内容上的重叠。经过近几年的教学研究和改革，各门课程都发生了非常大的变化[1]：VLSI课程中会涉及算术逻辑单元的设计甚至处理器设计方面的内容；汇编语言的作用已经从编程工具转变为描述和理解计算机系统工作原理的有效工具；HDL语言和仿真工具不再专属于数字逻辑电路设计领域，已经成为计算机系统设计的通用语言和工具。但是，由于总目标不明确，导致课程分头讲，实验分头做，总体学时不少，最终效果欠佳。笔者的主要研究内容以计算机系统设计为目标，从能力培养的视角看待和理解数字逻辑、计算机组成原理、汇编语言、计算机系统结构、嵌入式系统、计算机设计与调试、VLSI、计算机系统设计等课程，借鉴CDIO的思想，将系统设计思想和设计实践贯穿整个计算机工程专业方向人才培养过程。
2.1重新审视和修订教学计划
在研究过程中，我们首先整理涉及的各门课程的全部知识点，对相互影响的重要知识点整体排序，整合相近和相似的知识点，归并出一些重要的专题，提出有利于培养计算机系统设计能力的完整实践教学体系，全线引入HDL语言，全线引入基于FPGA开发板的设计实验，紧密配合理论课、设计方法课、实践课，形成“学习—构思—设计—实现”的完整过程。
2.2数字逻辑电路设计课程内容的改革
数字逻辑电路设计课程改革的研究重点是设法强化和提升学生使用硬件描述语言说明硬件系统的能力，将硬件设计语言的介绍提前到课程的开始部分，使学生在学习数字逻辑电路设计过程中就开始使用硬件设计语言，相当于使学生掌握了一个设计工具，为计算机组成原理课程和计算机系统结构课程提供支持，另外，从教学上形成学习数字逻辑电路设计就是学习集成电路设计的理念。数字逻辑电路设计课程的实验既有使用逻辑电路器件搭建实验电路的传统型实验，又有使用FPGA开发板的设计实验。
2.3计算机组成原理课程的教学改革
计算机组成原理课程借鉴“深入理解计算机系统”教材中的思想，调整了部分课程内容和授课重点，比如，在数据表示部分增加了C语言的整数表示以及比较运算的示例，在存储器部分增加了程序访问局部性原理的C语言示例，在指令系统部分增加了寻址方式的C语言示例等。增加C语言的示例是进行教学视角调整的一种尝试，由于学生已经学习过C语言，已经初步掌握了编程方法，但是并不清楚程序在计算机内部，特别是在计算机系统底层硬件中是如何表示、如何执行的。通过在计算机组成原理课程中增加一些C语言的示例，让学生真正理解程序的执行过程。
2.4计算机系统结构课程内容的调整
计算机系统结构课程在课程内容方面进行了一些调整，主要为了更好地与计算机组成原理和计算机设计与调试等课程衔接。增加多核处理器和多线程调度等方面的内容；对教材中给出的一些具体处理器实例给予更多关注，比如Pentium、PowerPC和MIPS处理器实例等；重视向量运算和向量处理器部分的内容。
2.5计算机设计与调试课程实践教学改革
计算机设计与调试课程把以往让学生设计实现一个有十几条基本指令的微程序控制器改变为设计实现向量协处理器；以PowerPCRISC处理器的指令系统为参考，把设计PowerPC扩展指令协处理器AltiVec模块中的VSFX指令部分作为教学内容。整个设计任务分为8个相互联系、难度逐步增加的子任务，通过教师引导、分组讨论、学生实践、实现设计、完成测试等一系列教学环节，让学生完成协处理器中的部分设计工作并熟悉完整的协处理器的设计与调试方法。
2.6嵌入式系统设计课程实践教学改革
嵌入式系统设计课程开发出嵌入式系统计算机结构及相关软件的综合实验，使硬件与软件相结合，强化对学生计算机综合开发应用能力的培养，提高学生的实践能力。综合实验要求学生完成一个嵌入式系统开发实现的全过程，包括完成硬件、软件的功能分配，进行主控数字系统硬件的设计和制作，设计驱动和功能软件，硬件、软件的分别测试与综合测试等。
2.7VSLI系统设计课程实践教学改革
VSLI系统设计课程的实践教学改革，把实践分为3种类型：课程实验、自主实验和课程设计，3种类型的实验全部基于Nexys3FPGA开发板进行设计。课程实验包括XilinxFPGA设计流程、Nexys3FPGA开发板主要模块接口设计和基于IP的数字电路设计等。自主实验部分的题目类型包括：串—并转换电路、FIFO存储器设计、大数加法器设计和FIR数字滤波器设计等。课程设计部分的题目类型包括密码协处理器设计、数字信号协处理器设计和图像处理协处理器设计等。
3实验室建设
天津大学计算机科学与技术学院2006年建立了数字逻辑电路设计实验室、计算机组成实验室、计算机系统结构实验室、嵌入式系统实验室，建立了超大规模集成电路设计与应用研究所。实验室配备了数字逻辑实验台、计算机组成原理实验台、计算机系统结构实验台（带有FPGA模块）、嵌入式系统设计实验台等教学实验设备。这些实验室和实验设备能够满足常规的计算机系统实验，但对计算机系统设计能力培养的支持还不够。为此，学院2013年与美国Xilinx公司合作，建立了天津大学—美国Xilinx公司计算机系统设计联合实验室，实验室配备了50多块Nexys3FPGA开发板，实验时可以满足每人一块开发板的要求。超大规模集成电路设计与应用研究所于2012年引进BEECube公司先进的BEE3系统，该系统基于计算机系统的第三代商用FPGA系统，包括4个Virtex5FXTFPGA芯片，以及高达64GB的DDR2ECCDRAM和8个用于模块间通信的10GigE接口。有了Nexys3FPGA开发板和BEE3系统，我们具备了实现学生设计的各种计算机系统的设备平台，为培养学生计算机系统设计能力提供了强有力的支撑。
4结语
电路设计思想范文第8篇
【关键词】音乐播发器;节拍;音符;计数器
音乐播发器是模仿人歌唱的电路，故可用人歌唱作为原型来分析设计音乐电路的总体方案。人通过声带振动发出声音，声带振动频率不同发出不同声音，故在用数字电路来模仿时，可用一个可控分频电路来产生不同频率时钟信号来驱动外接喇叭或蜂鸣器演奏音乐。人在歌唱时，是根据歌谱用大脑控制声带按照一定节拍在不同时间发出不同的乐音。故在用数字电路模仿时，还应该有一个控制电路模块，用来根据歌谱控制可控分频电路模块按照一定节拍在不同时间发出不同的乐音。控制电路模块分为两个模块，一个用于产生节拍，称节拍产生模块;另一个用于根据歌谱控制可控分频电路模块在不同时间发出不同的乐音，称音符产生模块。节拍产生模块应是一个计数器，每个状态持续的时间是需演奏的所有的音的音长的最小公因数，比如是一个十六分音符时值，具体时间长度应根据需演奏的歌曲而定。
控制电路的计数器的模即状态数，可由需演奏歌曲的各个音所占据状态个数累加而得。例如，一首用于演奏“梁祝”乐曲的音乐电路的控制电路的计数器的模是139。节拍产生电路的计数器是用来产生节拍定时的，音符产生模块则将节拍产生电路的计数器的状态翻译成对应的音符频率信号。如需演奏的歌曲中所用到的音符为9～16个，则音符产生模块的输出信号应有四位，其他情况依此类推。《化蝶》简谱音符共有15个，用index表示音符符号，从低音到高音依次编号1～15。音乐电路设计总体参考方案如图1所示。
图1 总体设计方案
本设计以用于演奏“梁祝”乐曲的音乐电路为例，对音乐电路各模块的实施进行分析。
一、控制电路模块
控制电路模块包含节拍产生模块和音符产生模块两个子模块，可合写成一个文件。
1.节拍产生模块设计分析
根据以上分析，此模块为一计数器，根据乐曲“梁祝”的谱，此乐曲以四分音符为一拍，四拍为一节，所有的音的音长的最小公因数是一个十六分音符时值，所以以十六分音符时值作为一个状态持续时间，把乐曲“梁祝”中各个音所占据状态个数累加而得知节拍产生模块计数器的模是139，其中最后体止符用了3个时间单位。
乐曲“梁祝”的简谱没有明确标出演奏速度，根据经验设定1min演奏60拍，因此一拍持续时间即四分音符的时值为1s，一个状态持续时间即一个十六分音符时值为0.25s。故节拍产生模块输入时钟周期为0.25s，频率为4Hz。
2.音符产生模块设计分析
音符产生模块的功能是将节拍产生电路的计数器的计数值按照乐曲“梁祝”的简谱翻译成对应的音符编号，若用Counter表示计数器的状态，Index表示音符编号，则可对乐曲《梁祝》简谱出现的音符规定见表2。
表1 《化蝶》简谱音符编号与计数器状态对应表
表2 《化蝶》简谱音符可控分频器预置数
二、分频预置数产生模块
根据梁祝的简谱，乐曲《化蝶》是F调，共有16个不同唱名的音符，其频率见表2。在产生音乐频率信号的模块中输入时钟设为1MHz，经2分频后为500000Hz，故分频系数应为500000/f。考虑到可控分频器设计为基于加法计数器的分频器，而最大分频比为500000/349.2≈1432，其二进制表示是10110011000，故可控分频模块的计数器为十一位二进制计数器即其模为2047。供给可控分频模块各个唱名的预置数tone：
Tone=2047-500000/f
f：各个唱名按照F调对应的频率
根据乐曲《梁祝》简谱对应各个音符的可控分频器预置数见表2所示。
三、可控分频模块
此模块的功能是用一个可控分频电路来产生演奏音乐所击的每个音。其实质是设计一个模是2047的可预置数的加法计数器，对1MHZ时钟的上升沿计数从而实现非等占空比分频。为了使输出信号SpkS具有较高的驱动功率，可控分频后再经2分频，使输出信号SpkS具有50%的占空比，从而具有较高的驱动功率。
四、顶层模块
顶层模块的功能是把以上各个模块组装起来构成一个完整的电路。顶层模块可用VHDL输入法设计，也可用原理图输入法设计。
图2 原理图输入法设计的顶层电路
五、结论
本设计在QuartusII平台上，应用VHDL语言层次化和模块化的设计方法，通过音符编码的设计思想，设计了《化蝶》简谱演奏电路，经过对整体进行模块化分析、编程、综合、仿真及下载，完整实现《化蝶》简谱播放功能。
参考文献
[1]何小河.小型智能系统设计与制作[M].武汉理工大学出版社，2011.
[2]胥勋涛.EDA技术项目化教程[M].电子工业出版社，2011.