華梵大學 電子工程學系

電子工程專題研究報告

以 FPGA 實現加減法簡易計算機與 PID 控制器的設計與實做

指 導 教 授：簡 江 儒

專　題　生：郭 家 華

中 華 民 國 九十七 年 六月

摘要

本篇專題論文利用 VHDL 硬體描述語言實現加減法電路，並實做在 FPGA 晶片上，以模擬計算機電路的架構。並以此為基礎，進一步研究如何利用 VHDL 硬體描述語言來設計實做控制學上常用的 PID 控制器。

本專題中，第一部份首先將研究加減法的設計與實做，並針對相減之後的正負數的做了一番討論。對於正負號的問題，我們並非以數學的想法來運算，而是採用資料取向的作法來處理。此外，配合著實驗板上各種外部元件，我們將完成擁有輸入 , 運算 , 輸出 , 及七段顯示器顯示的加減法運算電路。

根據第一部份的基礎，本專題接著將近一步探討控制學上常使用的 PID 控制器，研究利用 VHDL 硬體描述語言來實做 PID 控制器。 PID 控制器就是比例、積分與微分的三大訊號動作，本專題將針對其數位化的公式來進行電路設計。

本專題研究所使用的軟體為 Altera 公司所出的 Max+PlusⅡ ， FPGA 晶片為 Altera 公司的 FPGA10K30 ，而實驗板則為力浦公司的 LP2900 數位電路實驗板。

目錄

摘要 …….………………………………………………………………..........1

誌謝 ...................................................................................................................2

目錄 ...................................................................................................................3

圖目錄 ................................................................................................................4

第一章 FPGA 介紹 ........................................................................................5

第二章 MAX+PLUSII 軟體介紹 .................................................................9

第三章 LP2900 實驗板及 FPGA 晶片介紹 ................................................10

第四章 計算機電路的設計與實做 .............................................................12

第五章 PID 控制器的數位電路設計與實做 ..............................................27

第六章 結論 ...................................................................................................29

參考文獻 ..........................................................................................................30

華梵大學電子工程學系

電子工程專題研究報告

以 FPGA 實現加減法簡易計算機與 PID 控制器的設計與實做

指導教授：簡江儒　教授

專題生：蔡季勳

中華民國九十七年六月

摘要

本篇專題論文利用 VHDL 硬體描述語言實現加減法電路，並實做在 FPGA 晶片上，以模擬計算機電路的架構。並以此為基礎，進一步研究如何利用 VHDL 硬體描述語言來設計實做控制學上常用的 PID 控制器。

本專題中，第一部份首先將研究加減法的設計與實做，並針對相減之後的正負數的做了一番討論。對於正負號的問題，我們並非以數學的想法來運算，而是採用資料取向的作法來處理。此外，配合著實驗板上各種外部元件，我們將完成擁有輸入、運算、輸出、及七段顯示器顯示的加減法運算電路。

根據第一部份的基礎，本專題接著將近一步探討控制學上常使用的 PID 控制器，研究利用 VHDL 硬體描述語言來實做 PID 控制器。 PID 控制器就是比例、積分與微分的三大訊號動作，本專題將針對其數位化的公式來進行電路設計。

本專題研究所使用的軟體為 Altera 公司所出的 Max+Plus Ⅱ ， FPGA 晶片為 Altera 公司的 FPGA10K30 ，而實驗板則為力浦公司的 LP2900 數位電路實驗板。

目錄

摘要…….………………………………………………………………...1

致謝............................................................................................................2

目錄............................................................................................................3

圖目錄........................................................................................................4

第一章  FPGA介紹.................................................................................5

第二章  MAX+PLUSII軟體介紹..........................................................6

第三章  LP2900實驗板及晶片介紹....................................................12

第四章  計算機電路的設計與實做......................................................13

第五章  PID控制器的數位電路設計與實做.......................................45

第六章  結論..........................................................................................49

參考文獻..................................................................................................50