基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練報(bào)告(標(biāo)準(zhǔn)版

1、基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練任務(wù)書學(xué)生姓名： 侯康 專業(yè)班級(jí)： 電子0802 指導(dǎo)教師： XX 工作單位： 題 目： FPGA開發(fā)板電路印制板圖的設(shè)計(jì) 一、 訓(xùn)練目的主要目的就是對(duì)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)課程、基本技能、基本動(dòng)手能力的強(qiáng)化訓(xùn)練，提高學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)、基本動(dòng)手能力，提高人才培養(yǎng)的基本素質(zhì)。二、 訓(xùn)練內(nèi)容和要求1、基礎(chǔ)課程和基本技能強(qiáng)化訓(xùn)練(1)設(shè)計(jì)一個(gè)FPGA最小系統(tǒng)電路；(2)對(duì)所設(shè)計(jì)電路的基本原理進(jìn)行分析；2、文獻(xiàn)檢索與利用、論文撰寫規(guī)范強(qiáng)化訓(xùn)練要求學(xué)生掌握基本的文獻(xiàn)檢索方法，科學(xué)查找和利用文獻(xiàn)資料，同時(shí)要求學(xué)生獲得正確地撰寫論文的基本能力，其中包括基本格式、基本排版技巧和文獻(xiàn)參考資料的寫法、公式編排

2、、圖表規(guī)范制作、中英文摘要的寫法等訓(xùn)練。3、基本動(dòng)手能力和知識(shí)應(yīng)用能力強(qiáng)化訓(xùn)練(1)學(xué)習(xí)PROTEL軟件；(2)繪制電路的原理圖和PCB版圖，要求圖紙繪制清晰、布線合理、符合繪圖規(guī)范；4、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)，按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰寫基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練報(bào)告書，全文用A4紙打印。三、 初始條件 計(jì)算機(jī)；Microsoft Office Word 軟件；PROTEL軟件四、 時(shí)間安排 1、 20010年 7 月 12日集中，作基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練具體實(shí)施計(jì)劃與報(bào)告格式要求的說明；學(xué)生查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)電路的工作原理。2、 2010 年 7 月 12 日，電路設(shè)計(jì)與分析。3、 2010 年 7 月

3、13日至2010 年7 月 15日，相關(guān)電路原理圖和PCB版圖的繪制。4、 2010年 7 月 16日上交基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練成果及報(bào)告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要IAbstractII1.緒論12.Protel使用相關(guān)說明22.1 Protel軟件安裝22.2 Protel設(shè)計(jì)流程23. FPGA開發(fā)板原理圖設(shè)計(jì)33.1 設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備33.1.1 設(shè)定圖紙大小33.1.2 設(shè)置Protel設(shè)計(jì)環(huán)境33.1.3 旋轉(zhuǎn)零件43.1.4 原理圖的布線43.2 FPGA原理圖的設(shè)計(jì)53.2.1 電源電路的設(shè)計(jì)53.2.2 晶振電路53.2.3 程序下載

4、電路63.2.4 外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展電路63.2.5 配置芯片電路73.2.6 FPGA主控芯片電路73.2.7 ERC檢測(cè)83.3 FPGA網(wǎng)絡(luò)報(bào)表的生成83.4 FPGA印制電路板圖的設(shè)計(jì)93.4.1 裝載網(wǎng)絡(luò)表93.4.2 PCB板圖的生成103.4.3 PCB布線113.4.4 信號(hào)完整性檢測(cè)114. 小結(jié)與體會(huì)12參考文獻(xiàn)：13附錄I：FPGA最小系統(tǒng)原理總圖14附錄II：PCB總圖15附錄III：原件清單16摘要隨著科技的不斷發(fā)展，EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計(jì)的不可或缺的一部分，而Protel正式EDA中的一員。在電子行業(yè)的CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件中，它當(dāng)之無愧地排在

5、眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計(jì)者的首選軟件，它較早就在國內(nèi)開始使用，在國內(nèi)的普及率很高。如今Protel已經(jīng)發(fā)展成為完整的板級(jí)全方位電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號(hào)仿真、多層印制電路板設(shè)計(jì)（包含印制電路板自動(dòng)布線）、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客戶/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)還兼容一些其它設(shè)計(jì)軟件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多層印制線路板的自動(dòng)布線可實(shí)現(xiàn)高密度PCB的100布通率。正是因此，它在電子電路設(shè)計(jì)、工業(yè)版圖設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：EDA Pr

6、otel PCB CADAbstractWith the continuous development of science and technology, EDA (Electronic Design Automation) technology has become an indispensable part of industrial design, and Protel EDA in an official. In the electronics industry, CAD (computer aided design) software, which deservedly came

7、in front of many EDA software is the designer of choice for electronic software, which started early on in the country, the high penetration rate in the country. Today Protel has developed into a complete board-level electronic design system comprehensive, it includes schematic drawing, analog and d

8、igital circuits, mixed-signal simulation, multi-layer printed circuit board design (including automatic routing of printed circuit board) can programming logic design, graphics generation, spreadsheets generated to support features such as macro operations, and with Client / Server (client / server)

9、 architecture, but also compatible with a number of other design software, file formats, such as ORCAD, PSPICE, EXCEL, etc. The multi-layer printed circuit boards can be automated for high density PCB layout 100% of cloth through rate. It is, therefore, it is in electronic circuit design, layout and

10、 many other areas of industry have been widely used.Key words：EDA Protel PCB CAD1. 緒論數(shù)字電路的發(fā)展與模擬電路一樣經(jīng)歷了由電子管、半導(dǎo)體分立器件到集成電路等幾個(gè)時(shí)代。但其發(fā)展比模擬電路發(fā)展的更快。從60年代開始，數(shù)字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件。隨后發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件；70年代末，微處理器的出現(xiàn)，使數(shù)字集成電路的性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。數(shù)字集成器件所用的材料以硅材料為主，在高速電路中，也使用化合物半導(dǎo)體材料，例如砷化鎵等。邏輯門是數(shù)字電路中一種重要的邏輯單元電路 。TTL邏輯門電路問世較早，其工藝經(jīng)過不

11、斷改進(jìn)，至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發(fā)展,TTL的主導(dǎo)地位受到了動(dòng)搖，有被CMOS器件所取代的趨勢(shì)。 近年來,可編程邏輯器件PLD特別是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（FieldProgrammable Gate Array）的飛速進(jìn)步，使數(shù)字電子技術(shù)開創(chuàng)了新局面，不僅規(guī)模大，而且將硬件與軟件相結(jié)合，使器件的功能更加完善，使用更靈活。FPGA，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，有著如下的優(yōu)點(diǎn)：1) FPGA運(yùn)行速度快

12、2) FPGA管腳多,容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)3) FPGA內(nèi)部程序并行運(yùn)行,有處理更復(fù)雜功能的能力4) FPGA有大量軟核,可以方便進(jìn)行二次開發(fā)因而在數(shù)字信號(hào)處理、高速數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)控制、汽車電子、自動(dòng)化控制領(lǐng)域都有著及其廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)PGA技術(shù)的迅猛發(fā)展必將影響整個(gè)電子技術(shù)發(fā)展的方向，因而對(duì)于FPGA的學(xué)習(xí)也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)。要想學(xué)習(xí)FPGA技術(shù)就必須得有一套FPGA的最小系統(tǒng)開發(fā)板，這正是我們現(xiàn)在電路印制版圖設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。2. Protel使用相關(guān)說明2.1 Protel軟件安裝本設(shè)計(jì)采用的是Protel公司的Protel99se電子線路EDA設(shè)計(jì)軟件，其安裝界面如下：2.2 Protel設(shè)計(jì)流程1

13、) 電路原理圖的設(shè)計(jì)電路原理圖的設(shè)計(jì)主要是Protel99se的原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Schematic）來繪制一張電路原理圖。在這一過程中，要充分利用Protel99se所提供的各種原理圖繪制工具、各種編輯功能，來實(shí)現(xiàn)我們的目的，即得到一張正確、精美的電路原理圖。2) 產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)報(bào)表網(wǎng)絡(luò)報(bào)表是電路原理圖設(shè)計(jì)（SCH）與印制電路板設(shè)計(jì)（PCB）的一座橋梁，它是電路板自動(dòng)的靈魂。網(wǎng)絡(luò)表可以從電路原理圖中獲得，也可以從印制電路板中提取出來。3) 印制電路板的設(shè)計(jì)印制電路板的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)Protel99se的另一個(gè)重要的部分PCB而言的，在這個(gè)過程中，我們借助Protel99se提供的強(qiáng)

14、大功能實(shí)現(xiàn)電路板的版面設(shè)計(jì)工作，完成高難度的各種布線。3. FPGA開發(fā)板原理圖設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備3.1.1 設(shè)定圖紙大小在新建原理圖設(shè)計(jì)文件（.SCH）后，首先要構(gòu)思好零件圖，設(shè)計(jì)好圖紙大小。圖紙大小是根據(jù)電路圖的規(guī)模和復(fù)雜程度而定的，設(shè)置合適的圖紙大小是設(shè)計(jì)好原理圖的第一步，其設(shè)置界面如下所示：圖 3-1-1-1 原理圖圖紙大小設(shè)置3.1.2 設(shè)置Protel設(shè)計(jì)環(huán)境在設(shè)定好原理圖的大小后，我們需要對(duì)Protel99se的工作環(huán)境進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，主要包括設(shè)置格點(diǎn)大小和類型、光標(biāo)類型、字體大小及顏色、原件顯示類型等，大多數(shù)參數(shù)可以使用系統(tǒng)的默認(rèn)值，其設(shè)置界面如下： 圖3-1-2-1 系

15、統(tǒng)優(yōu)選項(xiàng)及字體設(shè)置3.1.3 旋轉(zhuǎn)零件在設(shè)計(jì)中為了排版的需要我們可能需要順時(shí)針或是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)原件，抑或是對(duì)調(diào)X方向或是Y方向的位置，這都需要Protel99se中的原件旋轉(zhuǎn)功能。在Protel99se中，我們可以使用快捷鍵空格對(duì)原件進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使用快捷鍵x和y分別對(duì)調(diào)原件的x方向和y方向。3.1.4 原理圖的布線利用Protel99se/Schematic提供的各種工具，將圖紙上的原件用具有電氣意義的導(dǎo)線、符號(hào)連接起來，構(gòu)成一個(gè)完整的原理圖，常用工具欄如下所示：圖 3-1-4-1 常用工具欄3.2 FPGA原理圖的設(shè)計(jì)3.2.1 電源電路的設(shè)計(jì)FPGA的最小系統(tǒng)采用3.3V和1.5V雙電源

16、系統(tǒng)供電，輸入電壓5V，經(jīng)過AMS1117后穩(wěn)壓輸出，其電路原理圖如下所示：圖 3-2-1-1 電源電路原理圖3.2.2 晶振電路FPGA內(nèi)部?jī)?nèi)置鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)倍頻，因而外部晶振只需要相對(duì)比較地的頻率就可以實(shí)現(xiàn)高速的運(yùn)算，本設(shè)計(jì)中采用的是標(biāo)準(zhǔn)的50M有源晶振，其電路原理圖如下所示：圖 3-2-2-1 晶振電路3.2.3 程序下載電路FPGA可以實(shí)現(xiàn)雙接口下載，JTAG和AS兩種模式均可以對(duì)內(nèi)部flash進(jìn)行操作，其接口電路如下：圖 3-2-3-1 程序下載電路原理圖3.2.4 外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展電路FPGA片外擴(kuò)展64K*16位的IS61LV6416 SRAM，它即可以作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（32K），也可

17、以作為程序存儲(chǔ)區(qū)（32K）使用，其電路原理圖如下：圖 3-2-4-1 SRAM外部擴(kuò)展電路3.2.5 配置芯片電路本設(shè)計(jì)采用了EPCS1專用FPGA配置芯片，其標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為1Mbits，用于保存FPGA的配置信息，其電路原理圖如下所示：圖 3-2-5-1 EPCS1電路原理圖3.2.6 FPGA主控芯片電路本設(shè)計(jì)的FPGA主控芯片采用Altera公司的Cyclone系列EP1C3T144C8，其電路原理圖如下所示：圖 3-2-6-1 FPGA主控芯片原理圖3.2.7 ERC檢測(cè)對(duì)于繪制好的原理圖需要進(jìn)行ERC檢測(cè)以確保各個(gè)元件之間沒有電氣連接上的錯(cuò)誤，其部分圖示如下：圖 3-2-7-1 ER

18、C檢測(cè)部分示意圖3.3 FPGA網(wǎng)絡(luò)報(bào)表的生成在繪制FPGA原理圖的過程中，我們需要對(duì)每一個(gè)元件填入相應(yīng)的Footprint（封裝），這樣才能將原理圖中的各個(gè)元件和印制電路板圖中的各個(gè)元件聯(lián)系起來，然后利用Protel99se的網(wǎng)絡(luò)報(bào)表生成功能生成原理圖相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)表，如下所示：圖 3-3-1 網(wǎng)絡(luò)報(bào)表生成對(duì)話框 圖 3-3-2 網(wǎng)絡(luò)表部分示意圖3.4 FPGA印制電路板圖的設(shè)計(jì)3.4.1 裝載網(wǎng)絡(luò)表在生成PCB板圖之前需要裝載網(wǎng)絡(luò)表，Design-Netlist即可裝載網(wǎng)絡(luò)表，示意圖如下：圖 3-4-1-1 網(wǎng)絡(luò)表的裝載3.4.2 PCB板圖的生成裝載網(wǎng)絡(luò)表后會(huì)自動(dòng)在物理層附近生成原理圖中

19、各個(gè)元件相對(duì)應(yīng)的PCB封裝圖，如下所示：圖 3-4-2-1 PCB初始圖此時(shí)需要對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行布局和電氣位置規(guī)劃，調(diào)整其相對(duì)位置，如下所示：圖 3-4-2-2 調(diào)整后的PCB總圖3.4.3 PCB布線Protel99se提供了強(qiáng)大的自動(dòng)布線功能，只需要對(duì)相應(yīng)的布線規(guī)則進(jìn)行設(shè)置即可，但本設(shè)計(jì)考慮到數(shù)據(jù)的高速傳輸和相應(yīng)的模擬電路和數(shù)字電路的混合模式，還是決定對(duì)PCB原理圖進(jìn)行手動(dòng)布線，成品PCB板圖如下所示：3.4.4 信號(hào)完整性檢測(cè)完成好的PCB板圖為了確保其功能的完整性需要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)完整性檢測(cè)，以確保在本系統(tǒng)中信號(hào)的流向和強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生繼發(fā)性的增強(qiáng)、減弱和變向，其檢測(cè)時(shí)圖像如下：圖 3-4-4

20、-1 信號(hào)完整性檢測(cè)部分示意圖4. 小結(jié)與體會(huì)至此，一個(gè)完整的FPGA最小系統(tǒng)印制電路板圖的設(shè)計(jì)就告一段落了，經(jīng)過這次Protel99se的強(qiáng)化訓(xùn)練，讓我再一次回顧了Protel繪制電路板圖的方法，通過原理圖設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)表的生成PCB圖設(shè)計(jì)，我不僅熟悉了Protel的工作環(huán)境而且也能夠更加熟練的使用和操作Protel，這也為我以后學(xué)習(xí)其他的EDA設(shè)計(jì)軟件打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1 張瑾、張偉等著，電路設(shè)計(jì)與制板：Protel 99SE入門與提高，人民郵電出版社，20072 周麗娜著，protel99se電路設(shè)計(jì)技術(shù)，中國鐵道出版社，20093 及力、張濤等著，Protel99SE原理圖與PCB

21、設(shè)計(jì)教程，電子工業(yè)出版社，20074 王衛(wèi)兵著，protel99se基礎(chǔ)教程，北京郵電大學(xué)出版社，20085 朱云芳、江樺、翟旭等著， Protel99SE電路設(shè)計(jì)與制板快學(xué)易通，機(jī)械工業(yè)出版社，2007附錄I：FPGA最小系統(tǒng)原理總圖附錄II：PCB總圖附錄III：原件清單DescriptionDesignatorFootPrintLibRefPartType*U5TQFP144EP1C3T144C8EP1C3T144C8*U1TO-220-3SASM1117ASM1117-3.3*JP1ISP10-AHEADER 5X2AS*JP2ISP10-AHEADER 5X2JTAG*U2SOT22

22、3ASM1117ASM1117-1.5*R7805RES210K*R9805RES210K*R8805RES210K*U4SOP8EPCS1EPCS1CapacitorC21812CAPACITOR POL10uFCapacitorC6805CAP104CapacitorC5805CAP104CapacitorC21805CAP104CapacitorC18805CAP104CapacitorC19805CAP104CapacitorC20805CAP104CapacitorC24805CAP104CapacitorC25805CAP104CapacitorC26805CAP104Capaci

23、torC27805CAP104CapacitorC28805CAP104CapacitorC29805CAP104CapacitorC30805CAP104CapacitorC31805CAP104CapacitorC32805CAP104CapacitorC33805CAP104CapacitorC34805CAP104*Y1OSCCRY50MHz*R2805RES230CapacitorC12805CAP102CapacitorC8805CAP104*S1KEY-6SW-PBSW-PBCapacitorC31812CAPACITOR POL10uF*JP3IDC-10HEADER 5X2HEADER 5X2*J1DC JACK-BDC-INDC-IN*F2805RES20DiodeD1IN4007DIODEDIODE