基于FPGA的全能硬件实验箱

汪迎

摘要：在我们目前所用的数字电路，模拟电路实验箱配置不太完善，功能上局限性太强。特别是在使用的过程中成本较大，每个分立元器件的管脚针头易损坏。为了解决这些问题，在现有的数电，模电实验箱的基础上，实现数模电实验箱二合一的思想，并加入了电路分析的模块，使之成为数电、模电和电路分析三合一的实验箱。用FPGA主控芯片代替数字电路的分立元器件，用FPGA程序作为数字芯片的主要核心，在此基础上做出更多常用数字芯片的程序。这样使不但能节省分立元器件成本，还可以使实验箱的功能更加强大，灵活性更高。

Abstract： In our current digital circuit， the real analog circuit test box is not perfect， the function is too strong. Especially in the process of using the cost of each discrete components of the needle is easy to damage. In order to solve these problems， in a number of existing electrical， power module test box based on， the idea of digital and analog electronic experimental box combo， and joined the circuit analysis module， to become number of electricity， power module and circuit analysis of a test box. FPGA main control chip for digital circuit of discrete components， using FPGA program as the main core of the digital chip， on this basis to make more common use of the digital chip program. So that not only can save the cost of discrete components， but also can make the function of the experimental box is more powerful， more flexibility.

关键词： FPGA；实验箱；数字电路；模拟电路；电路分析

Key words： FPGA；experimental box；digital circuit；analog circuit；circuit analysis

中图分类号：TN79+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0154-03

0 引言

在我们目前所用的数电，模电实验箱配置不太完善，功能上局限性太强。特别是在使用的过程中成本较大，每个分立元器件的管脚针头容易损坏。由此，元器件不能充分利用，用独立芯片可以替代。

为了方便更多的专业人士和在校大学生做相关的数模电实验，特做出如此构思：在现有的数电，模电试验箱的基础上，实现数模电实验箱二合一的思想，并加入了电路分析的模块，使之成为数、模电和电路分析三合一的实验箱。实验老师根据学生在做实验过程中积累下的经验，需要在原实验箱的基础上做出改进。现有的实验设备数字电路芯片管脚不稳，报废率较高，浪费严重，实验项目选择性太少。用FPGA主控芯片代替数字电路的分立元器件，用FPGA程序作为数字芯片的主要核心，在此基础上做出更多常用数字芯片的程序。需用到的数字芯片，只需下载想用的程序即可实现响应的功能。数电，模电，电路分析实验箱将会组合到一块。这种改动之后，不但能节省分立元器件成本，还可以使实验箱的功能更加强大，灵活性更高。

1 FPGA介绍

FPGA是20世纪80年代中期出现的一种新型的可编程逻辑器件，其结构不同于基于与或阵列的器件。其最大的特点是可实现现场编程。所谓现场编程是指对于已经焊接在PCB上或正在工作的芯片实现逻辑重构，当然也可在工作一段时间后修改逻辑。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。（图1-5）

2 系统设计与实现

为了实现数电、模电、电路分析实验箱一体化，增强实验应用范围。根据学生平时实验结果的积累和总结，特对该实验箱做出更新。制作出如下方案：

①数电、模电实验箱整合。功能模块可共用，电源模块重复使用。但特定的功能模块经过改进后需重新放置。

②数电使用的独立分立逻辑芯片不再使用，统一使用可编程逻辑芯片FPGA来代替独立的逻辑芯片。这样做的好处就是使实验不再单一化，芯片功能可根据FPGA的程序来设定，不再需要人为的选择逻辑芯片。芯片的选择性更大了，更多常用的逻辑芯片都可在此平台上实现出来。芯片管脚也不再受限制。常用的逻辑芯片都可实现。

③函数信号发生器部分不再需要人为的测试输出的信号频率，我们在底板上直接设计频率测定和频率显示的功能。设计出的实验箱没有很大的选择限制，这一块可代替常用的逻辑芯片和独立电子元器件。（图6）

实现学生实验的强大功能，用户可在实验箱上做相关的数电、模电和电路分析等实验。使用户更快的了解电子设计和应用原理，拓宽用户的视野，提高实验效率，节省实验所需时间。通过下载硬件程序扩充数字逻辑芯片的数量，科研人员也可以在此基础上使用自己相关的逻辑芯片功能，增加了受众人群。不再需要购买独立数字器件在面包板上做不确定的实验。还要考虑面包板管脚连接是否正常等问题。常用数字逻辑芯片，足够满足学生们做实验。还在一定程度上使同学们了解了可编程逻辑器件的强大功能。（图7）

4 结束语

虽然数电，模电等学科的实验箱一直在发展，但是发展的较为缓慢。我们提出设计的基于FPGA的全能硬件实验箱（数/模/电路分析实验箱）利于当前较为先进成熟的FPGA编程技术，实现数字电路，模拟电路，电路分析三科实验与一套实验箱，使用户更快地了解电子设计和应用原理，拓宽用户的视野，提高实验效率，节省实验所需时间。具有创新与实用积极意义。此实验箱外观做的比较粗糙，后续我们会积极完善，在功能上我们会増优去拙，使实验箱不仅更加美观，也会更加实用！

参考文献：

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