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仪器前端专用集成电路研究与测试

作　者: 王成成
导　师: 李哲英
学　校: 北京交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 放大器阵列流水线式ADC 8-bitCPU 测试平台仿真验证
分类号: TN492
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 48次
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内容摘要

SoC (System on Chip)是指在单一芯片上可实现信号采集、转换、存储、处理和I/O接口等全部系统功能,是ASIC (Application Specific Integrated Circuit)的更高发展。SoC设计是以IP核复用为基础的,基于IP核模块的大规模集成电路设计是硬件实现的关键。在整个设计中,仿真与验证是最复杂、最耗时的环节,同时也是SoC设计成功与否的关键。本文研究与设计的仪器前端专用SoC是一个数模混合的用于数据采集和控制处理的专用芯片,包括输入信号调理电路(衰减网络和放大器阵列)、ADC、8-bitCPU等模块。系统中,信号调理电路对输入的模拟信号幅度进行调整(衰减或放大),ADC将模拟信号转换成数字信号。8-bit CPU是系统的核心,在8-bit CPU控制下,数字信号能够以4字节并行方式输出给其他处理器系统,也可以保存在系统内部存储器中,并通过8-bit CPU对其进行数字信号处理。8-bit CPU还可以控制信号调理电路的衰减或放大倍数、ADC的工作模式和采样频率。论文首先对仪器前端专用SoC的系统结构进行了研究,确定了符合设计要求的基本结构。接着对输入信号调理电路的结构和实现电路进行了分析,对所使用的ADC电路结构进行了介绍,并特别对8-bit CPU进行了分析与设计。本论文中,8-bit CPU选用80C51核,其控制功能是通过80C51核的外部控制模块来实现的,包括有时钟分频模块、数据输出控制模块、DMA、控制寄存器组等。论文中给出了各模块的设计实现及控制功能的仿真结果。并针对整个系统的功能要求,尤其是8-bit CPU对系统中信号调理电路的输入信号幅度的衰减或放大控制、对ADC工作模式和采样频率控制、对ADC采样后数据输出控制等功能要求,建立了系统仿真测试平台。基于平台的测试,是针对系统各个功能点编写C程序并转换成.in文件下载到rom中,通过Modelsim软件仿真完成的。最后搭建了系统的电路原型,在Quartus中进行了FPGA下载验证。通过仿真测试和下载验证结果,可知系统实现了设计预期的功能要求。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-10
1 引言  10-14
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 论文工作  11-13
  1.3 结构安排  13-14
2 仪器前端专用SoC结构设计与分析  14-18
  2.1 SoC设计  14
  2.2 仪器前端专用SoC的关键技术  14-16
    2.2.1 仪器前端电路基本要求  15
    2.2.2 仪器前端电路基本技术  15-16
  2.3 系统结构与功能描述  16-18
3 模拟电路结构与分析  18-31
  3.1 放大器阵列结构  18-21
  3.2 运算放大器  21-28
    3.2.1 运放基本结构  22-26
    3.2.2 电路结构与仿真  26-28
  3.3 模拟开关设计  28-29
  3.4 整个模拟电路仿真  29-31
4 ADC结构与分析  31-38
  4.1 ADC基本原理  31-32
  4.2 流水线式ADC结构  32-34
    4.2.1 流水线式ADC系统结构  32-33
    4.2.2 1.5 bit/stage的流水线式ADC结构  33-34
  4.3 ADC实现与仿真  34-38
5 8-bitCPU分析与设计  38-50
  5.1 80C51结构  38-39
  5.2 控制模块  39-49
    5.2.1 时钟分频  40-41
    5.2.2 数据路由  41-45
    5.2.3 DMA  45-46
    5.2.4 控制寄存器组  46-49
  5.3 8-bit CPU结构实现  49-50
6 仿真测试与下载验证  50-60
  6.1 软件仿真  50-58
    6.1.1 测试平台建立  50-54
    6.1.2 仿真测试  54-58
  6.2 下载验证  58-60
7 总结  60-61
参考文献  61-63
附录A  63-68
作者简历  68-70
学位论文数据集  70

仪器前端专用集成电路研究与测试

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