PLD验板
C实
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实验电路板的设计
太原理工大学自动化系 夏路易
自己设计制作实验板是非常有意思的事情。
第一部分 实验板方案选择
（一）目前的数字电路实验
随着数字电子技术的发展，对数字电路的教学要求也越来越高，不仅要求同学们学会一般数字电路的原理，而且要求同学们能用中小规模数字电路设计一定复杂程度的数字系统。数字电路的实验也应该配合教材，从验证性实验向设计性实验发展，满足培养21世纪人才的要求。
但是，目前的各种数字电路实验装置不能满足教学要求，采用这些装置进行数字电路实验有如下缺点：
1．为满足各种实验，需要种类繁多的数字集成电路，增加了实验费用和管理的难度，若是由于经费问题未购得所需的数字集成器件，则不能开设需要该器件的实验。
2．实验电路连线复杂，集成电路好坏难辫，经常导致实验的失败，并损坏实验电路或实验装置。
3．实验中，数字集成电路器件经常损坏严重，导致实验费用增加。
4．因为一个课程设计题目所需器件的种类多并且连线复杂，所以进行数字电路课程设计很困难。
5．中小规模集成电路在数字系统设计中已经很少使用，学生在学校不能学到新的数字系统的设计方法
（二）基于可编程逻辑器件的数字电路实验
可编程逻辑器件是一种可以通过编程，改变系统连线，达到系统重构的器件，该器件可以现场编程，就是说当该器件安装到电路板上后，可以对它的功能进行重新设置，这样就可以非常方便的进行数字系统的设计与制作。
由于可编程逻辑器件的价格不断降低，门密度不断增大，所以该器件取代中小规模数字集成电路只是时间问题。
可编程逻辑器件是数字系统设计中的首选器件，它增加系统可靠性、减少系统体积和功耗、缩短设计周期并降低系统成本，由于它的工作速度快，所以在数字信号处理、自动控制、计算机接口板等方面应用非常广泛。
可编程逻辑器件用于数字电路实验有如下特点：
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1．设计方法先进
在计算机上输入数字电路原理图或用硬件描述语言描述数字电路，经过编译，然后将编译后的数据文件下载到可编程逻辑器件中是目前最流行的数字电路设计方法。
2．一片可编程器件可以完成各种数字电路实验
可编程器件中有大量的门电路和触发器，通过编程可以连接成各种中小规模的数字电路，特别是与可编程逻辑器件配套的软件中具备有宏单元库，这些宏单元的功能同74系列数字电路的功能相同，使用这些宏单元做实验，就相当于使用74系列的数字电路做实验。 3．节省实验费用
在系统（isp）可编程器件的编程次数为10000次，而一片可编程芯片的价格为50元左右（isp 1016），平均每次编程的费用为0.005元，可见之便宜。 4．实验管理简单
实验室中只需要购买一种器件就可以满足各种实验需要。 5．实验中没有连线
由于实验板上已经将可编程逻辑器件的引脚预先连接了七段显示器、发光二极管、开关和按钮等元件，所以在实验时，只需要在计算机上进行引脚锁定就可以进行实验。
6．可以进行复杂的数字系统实验
在一片2000门密度的可编程逻辑器件上，可以设计出交通灯、频率计、数字钟、数字秒表、洗衣机控制器等数字电路，完全满足数字电路课程设计的需要
（三）实验板的功能
这个实验板可以做如下实验：
1．可以进行运算器（加、减、乘和除法）、比较器、译码器、编码器、选择器、分配器和一般组合电路的实验
2．可以进行触发器、寄存器、计数器和一般时序电路的实验
3．可以进行频率计电路、时钟电路、计时电路、交通灯等复杂数字系统的实验
4．加扩展板可以进行A/D、D/A、串行E2ROM和8031单片机等方面的实验
这个实验板的电路和下载电缆电路是公开的，板上元件数值一目了然，实验板上管脚说明和文字标记清楚，管脚和外围元件之间的连接关系可以从实验板上直接看到，而不必要查看实验指导书或有关资料。
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这个实验板的连线是固定的，不允许另外连线，这一点在教学上非常重要，试想，几十个学生等着教师检查电路的情况！ 特别是当电路复杂的时候。若是误将输入端定义成输出端而损坏了器件，就更得不偿失了。
这个实验板跳线应该最少，只要一看，就知道跳线如何使用。
这个实验板尽量不使用可编程器件的复用管脚，减少使用的复杂程度。 为满足教学要求，这个实验板的可编程逻辑器件的程序下载次数应该超过10000次，并且断电数据不丢失。
这个实验板应该具有时钟发生电路、稳压电源电路、下载电路、具有数据输入开关和按钮、具有发光管、数码管和蜂鸣器。
这个实验板上应该有可编程逻辑器件的保护电路，即使将输入引脚锁定成输出引脚也不会损坏可编程器件。
这个实验板上的主要元件应该容易更换。 这个实验板的价格应该低廉。
（四）可编程逻辑器件的选择
目前，很多学校和公司都开发了可编程逻辑器件实验板，这些实验板上采用了如下几个公司的产品：
Xilinx 公司 主要产品为FPGA和CPLD，目前各学校和公司制做实验板的常用芯片为FPGA 4000系列，Spartan XCS05和XC95108系列CPLD。
Littice 公司 该公司已经和AMD公司合并，该公司生产GAL和CPLD产品，目前各学校和各公司制作实验板的常用芯片为ISP1016和可编程开关GDS14.。
AMD 公司 该公司生产MACH系列产品，常用芯片为MACH4-128和MACH211SP-15JC。
Altera 公司 该公司生产FPGA和EPLD，常用芯片为EPLD7000系列产品7128和FPGA10K系列产品10K10
选择哪一个公司的产品呢？这取决于软件开放程度、芯片价格和使用的方便性。特别是在教学中使用，不开放的软件版本是不能用的，首先是价格高，其次是安装不方便。
目前软件功能最全的Xilinx公司的Fundation Express，但是开放的版本只支持电路图输入，而且该软件操作复杂，不宜在教学中使用。
Altera公司的MAXplusⅡ软件也很好用，使用简单，支持VHDL 语言，但是该软件的开放版本支持芯片太少，其中支持的芯片7128，不仅价格高而且只能下载100次。
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Lattice 公司的软件isp Expert System 7.0 支持ABEL-HDL语言，可以从互连网上申请与硬盘系列号配套的使用许可证，若是教学用计算机的硬盘容量一致，则可以通过硬盘对硬盘的复制方法，使多台计算机上同时使用该软件，该软件界面友好，操作简单，适合初学者使用。
该公司的产品isp 1016具有2000门的密度，可以下载10000次，价格便宜（频率低的产品只要40-50元左右），可以满足教学要求。
第二部分 实验板原理图设计
（一）熟悉1016E芯片技术资料，设计实验板原理电路 （1）1016E的输入输出电平兼容TTL电路
（2）1016E的拉电流负载4mA，灌电流负载8mA （3）电源电压5V （4）管脚安排 管脚名称 PLCC封装 说明 I/O0---I/O3 15,16,17,18 Isp芯片的输入/输出引脚 I/O4---I/O7 19.20.21.22 I/O8---I/O11 25.26.27.28 I/O12---I/O15 29.30.31.32 I/O16---I/O19 37,38,39,40 I/O20---I/O23 41,42,43,44 I/O24---I/O27 3,4,5,6 I/O28---I/O31 7,8,9,10 GOE0/in3 2 双功能引脚，既是输出使能端，又是专用输入引脚 IspEN/NC 13 专用下载控制引脚，该引脚为低电平时进行下载操作，使MODE,SDI,SDO,SCLK信号起作用 SDI/IN0 14 该引脚为双功能引脚，当IspEN为低电平时，该引脚为下载数据输入端，否则为专用输入信号。 MODE/IN2 36 该引脚为双功能引脚，当IspEN为低电平时，该引脚控制Isp芯片状态机的操作，否则为专用输入信号。 SDO/IN1 24 该引脚为双功能引脚，当IspEN为低电平时，该引脚为Isp芯片数据的读仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3
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