基于fpga信號(hào)發(fā)生器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p>　　1 前 言3</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)方案5</b></p><p>　　2.1 總體設(shè)計(jì)思路5</p><p>

2、;　　2.2 方案論證6</p><p>　　2.2.1方案一6</p><p>　　2.2.2方案二6</p><p>　　2.2.3方案三6</p><p>　　2.3 方案確定7</p><p><b>　　3 軟件設(shè)計(jì)8</b></p><p>　　3.

3、1 波形產(chǎn)生模塊8</p><p>　　3.1.1正弦波8</p><p>　　3.1.2 矩形波10</p><p>　　3.1.3 三角波10</p><p>　　3.1.4 基波11</p><p>　　3.1.5諧波的產(chǎn)生11</p><p>　　3.1.6 波形模塊圖11

4、</p><p>　　3.2 頻率控制模塊11</p><p>　　3.3 選擇波形模塊11</p><p>　　3.4 分頻器模塊13</p><p>　　3.4.1 設(shè)計(jì)思路13</p><p>　　3.4.2 VHDL實(shí)現(xiàn)13</p><p>　　3.4.3 分頻值計(jì)算14&l

5、t;/p><p>　　4 硬件電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1 硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)15</p><p>　　4.2濾波電路15</p><p>　　4.3 幅度控制電路16</p><p>　　4.4 FPGA器件引腳分配16</p><p>　　4.5 硬件電路實(shí)現(xiàn)17</

6、p><p>　　5 調(diào) 試18</p><p>　　5.1設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試使用設(shè)備18</p><p>　　5.2 調(diào)試方法18</p><p>　　5.2.1 硬件調(diào)試18</p><p>　　5.2.2 軟件調(diào)試18</p><p>　　5.2.3 綜合調(diào)試18</p>

7、<p>　　5.3 調(diào)試結(jié)果19</p><p>　　5.3.1 軟件仿真結(jié)果及分析19</p><p>　　5.3.2 綜合調(diào)試結(jié)果21</p><p><b>　　6 結(jié) 論24</b></p><p><b>　　致謝辭25</b></p><p&g

8、t;<b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　附 錄27</b></p><p>　　基于FPGA的信號(hào)發(fā)生器</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)課題為應(yīng)用VHDL語(yǔ)言及MAX+PLUS II軟件提供的原理圖輸

9、入設(shè)計(jì)功能，結(jié)合電子線路的設(shè)計(jì)加以完成一個(gè)可應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)發(fā)或?qū)嶒?yàn)時(shí)做輸入脈沖信號(hào)或基準(zhǔn)脈沖信號(hào)用的信號(hào)發(fā)生器，它具結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活，方便進(jìn)行多功能組合的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，成本低廉。具有產(chǎn)生三種基本波形脈沖信號(hào)（正弦波、矩形波和三角波），以及三次（及三次以下）諧波與基波的線性組合脈沖波形輸出，且單脈沖輸出脈寬及連續(xù)脈沖輸出頻率可調(diào)，范圍從100HZ到1kHZ,步進(jìn)為100HZ；幅度可調(diào)，從0到5伏，步進(jìn)為0.1V。<

10、;/p><p>　　關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器， FPGA，EDA，VHDL語(yǔ)言。</p><p><b>　　1 前 言</b></p><p>　　隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)日益增長(zhǎng)，社會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的需求量也就越來(lái)越大，目前，我國(guó)的電子產(chǎn)品市場(chǎng)正在迅速的壯大，市場(chǎng)前景廣闊。FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

11、)在現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。FPGA/CPLD(Complex Programmable Logic Device)所具有的靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改，這樣就極大地提高了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和通用性，縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間并降低可電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，且可以毫不夸張地講，F(xiàn)PGA/CPLD能完成任何數(shù)字器件的功能，從簡(jiǎn)單的74電路到高性能的CPU。它的影響毫不亞于20世

12、紀(jì)70年代單片機(jī)的發(fā)明和使用。</p><p>　　現(xiàn)在隨著電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的技術(shù)含量越來(lái)越高，使得芯片的復(fù)雜程度越來(lái)越高，人們對(duì)數(shù)萬(wàn)門乃至數(shù)百萬(wàn)門設(shè)計(jì)的需求也越來(lái)越多，特別是專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)技術(shù)的日趨進(jìn)步和完善，推動(dòng)了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的迅速發(fā)展。僅靠原理圖輸入方式已不能滿足要求，采用硬件描述語(yǔ)言VHDL的設(shè)計(jì)方式應(yīng)運(yùn)而生，解決了傳統(tǒng)用電路原理圖設(shè)計(jì)大系統(tǒng)工程時(shí)的諸多不便，成為電子電路設(shè)計(jì)人員的最得力

13、助手。設(shè)計(jì)工作從行為、功能級(jí)開(kāi)始，并向著設(shè)計(jì)的高層次發(fā)展。這樣就出現(xiàn)了第三代EDA系統(tǒng)，其特點(diǎn)是高層次設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。 </p><p>　　第三代EDA系統(tǒng)中除了引入硬件描述語(yǔ)言，還引入了行為綜合工具和邏輯綜合工具，采用較高的抽象層次進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按層次式方法進(jìn)行管理，可大大提高處理復(fù)雜設(shè)計(jì)的能力，縮短設(shè)計(jì)周期，綜合優(yōu)化工具的采用使芯片的品質(zhì)如面積、速度和功耗等獲得了優(yōu)化，因而第三代EDA系統(tǒng)迅速得到了推廣應(yīng)用。&

14、lt;/p><p>　　目前，最通用的硬件描述語(yǔ)言有VHDL和VerilogHDL兩種，現(xiàn)在大多設(shè)計(jì)者都使用93年版標(biāo)準(zhǔn)的VHDL，并且通過(guò)了IEEE認(rèn)定，成為世界范圍內(nèi)通用的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。VHDL是一種新興的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，使用VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)其性能總是比常規(guī)使用CPU或者M(jìn)CU的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言在性能上要高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這就是說(shuō)，在傳統(tǒng)上使用軟件語(yǔ)言的地方，VHDL語(yǔ)言作為一種新的實(shí)現(xiàn)方式會(huì)應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。本課題

15、設(shè)計(jì)是采用美國(guó)Altera公司的FLEX10K10器件，使用的是Altera公司的EDA軟件平臺(tái)Maxplus –II可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)軟件?；贓DA工具的FPGA/CPLD的開(kāi)發(fā)流程CPLD/FPGA器件的設(shè)計(jì)一般可分為設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和編程三個(gè)設(shè)計(jì)步驟：</p><p>　　1.設(shè)計(jì)輸入方式主要由文本輸入和圖形輸入兩種，可根據(jù)需要選擇，也可混合輸入。EDA工具會(huì)自動(dòng)檢查語(yǔ)法；</p><

16、;p>　　2.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)階段EDA工具對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行編譯，進(jìn)行邏輯綜合、優(yōu)化，并針對(duì)器件進(jìn)行映射、布局、布線，產(chǎn)生相應(yīng)的適配文件；</p><p>　　3.編程階段EDA軟件將適配文件配置到相應(yīng)的CPLD／FPGA器件中，使其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。</p><p>　　信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字設(shè)備運(yùn)行工作中必不可少的一部分，沒(méi)有良好的脈沖信號(hào)源，最終就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能夠正常工作，更不必談什么實(shí)現(xiàn)其

17、它功能了。不論是處于開(kāi)發(fā)還是故障檢修階段，輸出標(biāo)準(zhǔn)且性能優(yōu)秀的信號(hào)發(fā)生器總是能夠帶來(lái)工作效率的大幅提升，使新產(chǎn)品有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源、損壞的系統(tǒng)得到正確校驗(yàn)，不會(huì)被一些故障所蒙蔽。在傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器中，大都使用分立元件，而且體積龐大攜帶不便，且大部分只能輸出一種脈沖信號(hào)波形。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，不管采用什么技術(shù)生產(chǎn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品用在哪里，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的宗旨都是離不開(kāi)以下幾點(diǎn)：實(shí)用性高、成本低、可升級(jí)、功能完善可擴(kuò)展等！使用專用的數(shù)字電路設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生

18、器，設(shè)備成本高、使用復(fù)雜?；谝陨峡紤]，在中小型數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試中，迫切需要設(shè)計(jì)一種小型易用成本低廉的信號(hào)發(fā)生器。此課題的設(shè)計(jì)以小型經(jīng)濟(jì)，集成度高，性能穩(wěn)定，使用方便為指導(dǎo)，在功能上力求完善實(shí)用，同時(shí)兼顧商業(yè)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值的體現(xiàn)。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　2.1 總體設(shè)計(jì)思路</p><p>&

19、lt;b>　　1 設(shè)計(jì)步驟</b></p><p>　　此設(shè)計(jì)將按模塊式實(shí)現(xiàn)，據(jù)任務(wù)書(shū)要求，設(shè)計(jì)總共分四大步份完成：（1）產(chǎn)生波形（三種波形：方波、三角波和矩形波）信號(hào)；（2）波形組合；（3）頻率控制；（4）幅度控制。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　利用VHDL編程，依據(jù)基本數(shù)字電路模塊

20、原理進(jìn)行整合。系統(tǒng)各部分所需工作時(shí)鐘信號(hào)由輸入系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)分頻得到，系統(tǒng)時(shí)鐘輸入端應(yīng)滿足輸入脈沖信號(hào)的要求。組合波形信號(hào)經(jīng)顯示模塊輸出。具備幅度和頻率可調(diào)功能，幅度可通過(guò)電位器調(diào)整，頻率控制模塊則是一個(gè)簡(jiǎn)易的計(jì)數(shù)器，控制步徑為100HZ的可調(diào)頻率，最終送至脈沖發(fā)生模塊輸出脈沖信號(hào)，達(dá)到設(shè)計(jì)課題所要求的輸出波形頻率可調(diào)及幅度可調(diào)功能。幅度可調(diào)功能由于比較簡(jiǎn)單，可以在FPGA外部利用硬件電路實(shí)現(xiàn)?？傮w設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示：</p&g

21、t;<p><b>　　1KHZ</b></p><p><b>　　圖1 總體設(shè)計(jì)框圖</b></p><p><b>　　2.2 方案論證</b></p><p><b>　　2.2.1方案一</b></p><p>　　采用DDS（直接

22、數(shù)字頻率合成器）來(lái)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示。在設(shè)計(jì)界里眾所周知，DDS器件采用高速數(shù)字電路和高速D/A 轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定度高、輸出信號(hào)頻率和相位可快速程控切換等優(yōu)點(diǎn)，所以，我們可以利用DDS具有很好的相位控制和幅度控制功能，另外其數(shù)據(jù)采樣功能也是極具精確和完善的，它可以產(chǎn)生較為精確的任何有規(guī)則波形信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行全數(shù)字式調(diào)制。用FPGA和DDS實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，既克服了傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)

23、帶來(lái)的缺點(diǎn)，若采用它來(lái)編程設(shè)計(jì)，必定會(huì)事半功倍，且使設(shè)計(jì)趨于理想狀態(tài)。但鑒于DDS的占用RAM空間較大，我們?cè)O(shè)計(jì)是采用FPGA10K10器件，總共只有一萬(wàn)門的邏輯門數(shù)量，而整個(gè)DDS設(shè)計(jì)下來(lái)，大概最少會(huì)占用3-4萬(wàn)門的數(shù)量，所以在性價(jià)比方面不合理，這樣也使得我們的設(shè)計(jì)會(huì)有些不切實(shí)際。</p><p>　　頻率控制字

24、 信號(hào)輸出 </p><p><b>　　時(shí)鐘</b></p><p>　　圖2 DDS與FPGA總體設(shè)計(jì)圖 </p><p><b>　　2.2.2方案二</b></p><p>　　采用震蕩器頻率合成方案。具體方案如下：首先通過(guò)頻率合成技術(shù)產(chǎn)生所需要頻率的方波，通過(guò)積分電路

25、就可以得到同頻率的三角波，再經(jīng)過(guò)濾波器就可以得到正弦波。其優(yōu)點(diǎn)是工作頻率可望做得很高，也可以達(dá)到很高的頻率分辨率；缺點(diǎn)是使用的濾波器要求通帶可變，實(shí)現(xiàn)很難，高低頻率比不可能做得很高。</p><p><b>　　2.2.3方案三</b></p><p>　　采用VHDL語(yǔ)言來(lái)編程，然后下載文件到FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。VHDL語(yǔ)言是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主流硬件描述語(yǔ)言,具有很強(qiáng)的電

26、路描述和建模能力，能從多個(gè)層次對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，從而大大降低了硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率和可靠性,要比模擬電路快得多。該方案是利用FPGA具有的靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改，極大地提高了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和通用性，而且大大縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。</p><p><b>　　2.3 方案確定</b></p><

27、p>　　由上述三個(gè)方案對(duì)比，采用第三種方案：</p><p>　　通過(guò)FPGA軟件掃描方式將波形數(shù)據(jù)讀出傳輸給DAC0832產(chǎn)生波形輸出。這種方法在軟、硬件電路設(shè)計(jì)上都簡(jiǎn)單，且與我們的設(shè)計(jì)思路緊密結(jié)合。</p><p>　　由于幅度控制部分在設(shè)計(jì)需要用到數(shù)字電子，這樣有要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器再輸出，必將占用大量資源，造成不必要的開(kāi)銷。鑒于有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)和老師的建議，采用一個(gè)電位器代替，

28、雖然精確度不夠，但是也彌補(bǔ)了性價(jià)比方面的不足。</p><p>　　波形組合如果采用分開(kāi)式模塊實(shí)現(xiàn)，也必將導(dǎo)致占用大量的資源，而且模塊設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高，只要采用重復(fù)調(diào)用一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法，既可以降低資源的占用率，也使得設(shè)計(jì)更加靈活且有針對(duì)性。此信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)及功能集成度高，因采取整體模塊式設(shè)計(jì)，在此也考慮到實(shí)際應(yīng)用中，萬(wàn)一FPGA的邏輯門數(shù)量不夠，特準(zhǔn)備了一套備用方案。</p><p>　

29、　備用方案：將波形數(shù)據(jù)存放在6116RAM中，6116的存儲(chǔ)容量大，且可重復(fù)使用，雖用單片機(jī)在速度方面遠(yuǎn)不及FPGA，但是這樣是在出現(xiàn)上述狀況后的最佳補(bǔ)償方式。</p><p>　　綜合以上涉及方面的分析，因此本次課題采用此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　3 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 波形產(chǎn)生模塊</p&g

30、t;<p>　　本設(shè)計(jì)用VHDL語(yǔ)言根據(jù)傅立葉函數(shù)采集點(diǎn)進(jìn)行掃描，分別產(chǎn)生正弦波、三角波和矩形波。以下介紹各種常用周期信號(hào)的傅立葉函數(shù)展開(kāi)式。</p><p><b>　　3.1.1正弦波</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)思想 </b></p><p>　　正弦波發(fā)生分為兩個(gè)步驟，即正弦波幅值采樣存

31、儲(chǔ)和正弦波波形的還原輸出。幅值采樣是將一個(gè)周期正弦波進(jìn)行64等分，如圖3所示，將64個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行量化處理，量化值=255*sin360/64（V），將64點(diǎn)量化值存入存儲(chǔ)器。正弦波形的產(chǎn)生是通過(guò)循環(huán)反復(fù)將存儲(chǔ)器中的64點(diǎn)采樣值通過(guò)DAC0832進(jìn)行還原輸出，得到幅值正比于64點(diǎn)采樣值的正弦波。</p><p><b>　　2 VHDL實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　

32、1．正弦信號(hào)波形數(shù)據(jù)文件建立</p><p>　　正弦波波形數(shù)據(jù)由64個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，此數(shù)據(jù)經(jīng)DAC0832，可在示波器上觀察到正弦波形。源程序如下程序1所示：</p><p><b>　　[程序1]</b></p><p>　　WIDTH=8; ------表示數(shù)據(jù)輸出位寬是

33、8</p><p>　　DEPTH=64; ----表示共有64個(gè)8位數(shù)據(jù)點(diǎn)</p><p>　　ADDRESS_RADIX=HEX; -----表示地址信號(hào)用十六進(jìn)制數(shù)表示</p><p>　　DATA_RADIX=DEC;

34、 -----表示輸出數(shù)據(jù)是十進(jìn)制數(shù)</p><p>　　CONTENT BEGIN</p><p>　　00:255;01:254;02:252;03:249;04:245;05:239;06:233;07:225;</p><p>　　08:217;09:207;0A:197;0B:186;0C:174;0D:162;0E:150;0F:

35、137;</p><p>　　10:124;11:112;12: 99;13: 87;14: 75;15: 64;16: 53;17: 43;</p><p>　　18: 34;19: 26;1A: 19;1B: 13;1C: 8;1D: 4;1E: 1;1F: 0;</p><p>　　20: 0;21: 1;22: 4;23: 8;24: 13;

36、25: 19;26: 26;27: 34;</p><p>　　28: 43;29: 53;2A: 64;2B: 75;2C: 87;2D: 99;2E:112;2F:124;</p><p>　　30:137;31:150;32:162;33:174;34:186;35:197;36:207;37:217;</p><p>　　38:225;39:233;3A:2

37、39;3B:245;3C:249;3D:252;3E:254;3F:255;</p><p><b>　　END;</b></p><p>　　2．定制ROM源程序如下所示：</p><p>　　SINDATA.VHD：</p><p>　　LIBRARY ieee;</p><p>　　USE

38、ieee.std_logic_1164.all;</p><p>　　entity sindata is</p><p>　　port(address:in std_logic_vector(5 downto 0);</p><p>　　inclock:in std_logic;</p><p>　　q:out std_logic_vecto

39、r(7 downto 0);</p><p>　　end sindata;</p><p>　　architecture syn of sindata is</p><p>　　signal sub_wire0 :std_logic_vector(7 downto 0);</p><p>　　component 1pm_rom</p&g

40、t;<p>　　generic(1pm_width :natural;</p><p>　　1pm_widthid :natural;</p><p>　　1pm_address_control:string;</p><p>　　1pm_outdata:string;</p><p>　　1pm_file:string)

41、;</p><p>　　port(address:in std_logic_vector(5 downto 0);</p><p>　　inclock:in std_logic;</p><p>　　q:out std_logic_v ector(7 downto 0));</p><p>　　end component;</p>

42、<p><b>　　begin</b></p><p>　　q<=sub_wire0(7 downto 0);</p><p>　　1pm_rom_component:1pm_rom</p><p>　　generic map(lpm_width=>8,lpm_widthad=>6,</p><

43、;p>　　lpm_address_comtrol=>"registered",lpm_outdata=>"unregistered",</p><p>　　lpm_file=>"D:/SIN_G/DATA/sin_data.mif")</p><p>　　port map(address=>addre

44、ss,inclock=>inclock,q=>sub_wire0);</p><p><b>　　end syn;</b></p><p>　　正弦波信號(hào)發(fā)生器頂層設(shè)計(jì)源程序：</p><p>　　library ieee;</p><p>　　use ieee.std_logic_1164.all;<

45、/p><p>　　use ieee.std_logic_unsigend.all;</p><p>　　entity signt is</p><p>　　port(clk:in std_logic;</p><p>　　dout:out std_logic_vector(7 downto 0));</p><p><

46、;b>　　end</b></p><p>　　architecture dacc of singt is</p><p>　　component sindata</p><p>　　port(address:in std_logic_vector(5 downto 0);</p><p>　　inclock:in std_l

47、ogic;</p><p>　　q:out std_logic_vector(7 downto 0));</p><p>　　end conponent;</p><p>　　signal q1:std_logic_vector(5 downto 0);</p><p><b>　　begin</b></p>

48、<p>　　process(clk)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if clk'event and clk='1'then q1<=q1+1;</p><p><b>　　end if</b></p><p>　　e

49、nd process;</p><p>　　u1:sindata port map(address=>q1,q=>dout;in clock=>clk);</p><p><b>　　end;</b></p><p><b>　　3.1.2 矩形波</b></p><p><

50、b>　　1設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　矩形波的實(shí)現(xiàn)較之正弦波發(fā)生簡(jiǎn)單，由于矩形波是兩個(gè)電平值間的交替變換，因此波形采樣值的預(yù)存只要有兩個(gè)不同的數(shù)值就行了，為了使矩形波發(fā)生的頻率靈活可調(diào)，采用60個(gè)采樣值掃描輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)，每半個(gè)矩形波周期采用三十個(gè)采樣值，循環(huán)反復(fù)將存儲(chǔ)器中的60點(diǎn)采樣值通過(guò)DAC0832進(jìn)行還原輸出，得到幅值正比于點(diǎn)采樣值的矩形波。采樣圖如圖4所示。</p>

51、<p><b>　　2 VHDL實(shí)現(xiàn)</b></p><p><b>　　源程序見(jiàn)附錄。 </b></p><p><b>　　3.1.3 三角波</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　由于三角波是線性的，

52、比較簡(jiǎn)單就可以產(chǎn)生，如果最低電壓設(shè)為15V，最高是255V，那么根據(jù)它的公式255/15=17，每個(gè)點(diǎn)的電壓只要依次加17就可以得到，一個(gè)波形所以采用簡(jiǎn)單的加減算法就可實(shí)現(xiàn)，如圖5所示三角波的采樣圖：</p><p><b>　　圖5 三角波采樣圖</b></p><p><b>　　2 VHDL實(shí)現(xiàn)</b></p><p&g

53、t;<b>　　具體源程序見(jiàn)附錄。</b></p><p><b>　　3.1.4 基波</b></p><p>　　通過(guò)VHDL編程產(chǎn)生的正弦波、方波、三角波三種周期性波形即為基波。</p><p>　　3.1.5諧波的產(chǎn)生</p><p>　　采用與基波產(chǎn)生的同樣原理，編程產(chǎn)生三種波形的諧波，所

54、不同的是一個(gè)波形的周期采樣的點(diǎn)數(shù)不同，如果基波采樣點(diǎn)為63個(gè)，諧波采樣點(diǎn)數(shù)則為21個(gè)，其每點(diǎn)的電壓值為255*（sin360/60+sin360/20）（V），在對(duì)其進(jìn)行循環(huán)掃描即可實(shí)現(xiàn)基波與諧波的線性疊加。</p><p>　　3.1.6 波形模塊圖</p><p>　　最終波形的設(shè)計(jì)模塊圖如圖6所示，L1是三角波，L2是方波，L3是正弦波，L4是諧波。</p><

55、p>　　3.2 頻率控制模塊</p><p>　　本課題要求頻率控制是在100HZ-1KHZ，步進(jìn)為100HZ。在本題設(shè)計(jì)中只需借助FPGA便可完成。根據(jù)用戶需要的頻率，通過(guò)編程把頻率控制數(shù)值傳送給各個(gè)模塊，從而實(shí)現(xiàn)頻率的控制。如下圖7所示：</p><p>　　3.3 選擇波形模塊</p><p>　　這一部分主要是通過(guò)一個(gè)按鍵對(duì)波形進(jìn)行循環(huán)選擇，按下確認(rèn)

56、按鈕后進(jìn)行波形的調(diào)用。設(shè)計(jì)流程圖如下圖8所示</p><p><b>　　圖6 波形模塊圖</b></p><p>　　圖7 頻率控制模塊流程圖</p><p>　　圖8 選擇波形電路設(shè)計(jì)流程圖</p><p><b>　　3.4 分頻器模塊</b></p><p>　　3.

57、4.1 設(shè)計(jì)思路</p><p>　　分頻器模塊將輸入的高頻脈沖降頻得到各模塊所需的低頻脈沖，分頻器模塊利用計(jì)數(shù)器的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)預(yù)設(shè)的分頻值進(jìn)行比較計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸入高頻時(shí)鐘脈沖的分頻輸出功能。本次課題的設(shè)計(jì)方案中使用了十組分頻器，其設(shè)計(jì)原理完全相同，將對(duì)應(yīng)的頻率用8421BCD碼對(duì)其進(jìn)行編程賦值，如100HZ則對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)是“0000”，200HZ則是“0001”…1KHZ則是“1010”?，F(xiàn)選取其中的5

58、00分頻分頻器進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。具體程序見(jiàn)附錄。</p><p>　　3.4.2 VHDL實(shí)現(xiàn)</p><p>　　PROCESS(CLK_IN)</p><p><b>　　BEGIN</b></p><p>　　IF(CLK_IN'EVENT AND CLK_IN='0') THEN</p&

59、gt;<p>　　IF Step<249 THEN――分頻值</p><p>　　Step<=Step+1;</p><p><b>　　ELSE</b></p><p>　　Step<=0;――循環(huán)累加</p><p>　　CLK_OUT<=NOT CLK_OUT;――計(jì)數(shù)滿

60、，輸出翻轉(zhuǎn)</p><p><b>　　END IF;</b></p><p><b>　　END IF;</b></p><p>　　END PROCESS;</p><p>　　3.4.3 分頻值計(jì)算</p><p>　　分頻值＝（輸出時(shí)鐘脈沖周期／輸入時(shí)鐘脈沖周期）／2

61、－1</p><p>　　輸入時(shí)鐘脈沖頻率＝1KHz，周期＝1ms；輸出時(shí)鐘脈沖頻率＝2Hz，周期＝500ms</p><p>　　分頻值＝（500ms／1ms）／2－1＝249</p><p>　　3.4.4 分頻器模塊及初步仿真圖</p><p>　　分頻器模塊及初步仿真圖如圖9所示。</p><p><b&

62、gt;　　4 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)</p><p>　　此次設(shè)計(jì)利用EDA試驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)硬件功能，試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)可靠，干擾小，能使系統(tǒng)在良好的環(huán)境中正常工作。但是實(shí)際制作硬件電路時(shí)，就應(yīng)考慮到干擾所帶來(lái)的負(fù)面影響。為了避免干擾信號(hào)影響系統(tǒng)正常工作，未分配功能的FPGA引腳必須接地，在FPGA器件的電源端必須并連一0.01uF的退耦電容，在所

63、有的輸入引腳上串聯(lián)100歐姆左右電阻減弱干擾信號(hào)影響，如有必要還應(yīng)在輸入端設(shè)置上拉或下拉電阻。</p><p><b>　　4.2濾波電路</b></p><p>　　如圖10所示，設(shè)計(jì)D/A輸出后，通過(guò)濾波電路、輸出緩沖電路，使信號(hào)平滑且具有負(fù)載能力。</p><p>　　正弦波的輸出頻率小于262kHz，為保證262kHz 頻帶內(nèi)輸出幅度平

64、坦，又要盡可能抑制諧波和高頻噪聲，綜合考慮取 R1=1k,R2=1k,C1=100pF,C=100pF運(yùn)放選用寬帶運(yùn)放LF351，用 Electronics Workbench 分析表明:截止頻率約為1MHz,262KHz 以內(nèi)幅度平坦。 為保證穩(wěn)幅輸出，選用AD817，這是一種低功耗、高速、寬帶運(yùn)算放大器 , 具有很強(qiáng)的大電流驅(qū)動(dòng)能力。實(shí)際電路測(cè)量結(jié)果表明：當(dāng)負(fù)載100Ω、輸出電壓峰-峰值1

65、OV時(shí)，帶寬大于500kHz,幅度變化小于土1%。</p><p>　　4.3 幅度控制電路</p><p>　　幅度控制電路采用初定方案來(lái)設(shè)計(jì)，即用一個(gè)電位器來(lái)控制波形的輸出幅度。電位器的型號(hào)為10K 歐。</p><p>　　4.4 FPGA器件引腳分配</p><p>　　為了方便硬件設(shè)計(jì)，降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，對(duì)FPGA的輸入輸出引腳

66、進(jìn)行分配，將關(guān)聯(lián)的引腳集中排布，將同一組內(nèi)的引腳按順序排布，將需要輸入高頻時(shí)鐘脈沖的端口安排在時(shí)鐘輸入端，以提高其信號(hào)接收能力。分配如下：</p><p>　　CLKUSR PIN62。</p><p>　　CS0 PIN67。</p><p>　　CS1 PIN68</p><p>　　BEV_CLK PIN76

67、.</p><p>　　BEV_OE PIN72</p><p>　　IN PIN31、33、73、75。</p><p>　　D0 PIN1</p><p>　　TD0 PIN9</p><p>　　TD1 PIN4</p><p>　　CE0 PIN6

68、4</p><p>　　CE1 PIN3</p><p>　　CONFIG PIN23</p><p>　　CONF_DONE PIN65</p><p>　　RS PIN70</p><p>　　WS PIN69</p><p>　　TMS PIN46<

69、;/p><p>　　TRST PIN45</p><p>　　TCK PIN66</p><p>　　DCLK PIN2</p><p>　　STATUS PIN44</p><p>　　MSEL0 PIN20</p><p>　　MSEL1 PIN21</p&

70、gt;<p>　　INIT_DONE PIN58</p><p>　　RDY_BUSY PIN59</p><p>　　DEV_OE PIN72</p><p>　　DEV_CLR PIN77</p><p>　　4.5 硬件電路實(shí)現(xiàn)</p><p>　　此次設(shè)計(jì)硬件部分通過(guò)FPGA/CPL

71、D實(shí)驗(yàn)箱完成，如今后需制作單獨(dú)的硬件電路，亦可以依照實(shí)驗(yàn)箱各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　5 調(diào) 試</b></p><p>　　5.1設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試使用設(shè)備</p><p>　　示波器:Hitachi V-1060，萬(wàn)用表，F(xiàn)PGA實(shí)驗(yàn)箱，PC機(jī)各一臺(tái)。 </p><p><b>　　5

72、.2 調(diào)試方法</b></p><p>　　根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求，調(diào)試過(guò)程共分三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。電路用FPGA/CPLD實(shí)驗(yàn)箱按模塊調(diào)試，各模塊逐個(gè)調(diào)試通過(guò)后再進(jìn)行綜合調(diào)試。</p><p>　　5.2.1 硬件調(diào)試</p><p>　　(1)在做控制電路的調(diào)試時(shí)，分析輸入輸出，可以發(fā)現(xiàn)時(shí)序與仿真結(jié)果是否有出入，便于找出硬件電路中的故

73、障。再調(diào)試D/A轉(zhuǎn)換是否正常。   (2) 為提高電路抗干擾性能，我們采取了一些抗干擾措施。如接線線盡量短，減少交叉，每個(gè)芯片的電源與地之間都接有去擾電容，數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。實(shí)踐證明，這些措施對(duì)消除某些引腳上的 “毛刺 ” 及高頻噪聲起到了很好的效果。   (3) 運(yùn)算放大器的選擇 由于輸出頻率達(dá)到上千赫茲，因此對(duì)放大器的帶寬有一定要求。所以，在調(diào)試濾波電路和緩沖輸出電路

74、時(shí)，都選擇了高速寬帶運(yùn)放。</p><p>　　5.2.2 軟件調(diào)試</p><p>　　本系統(tǒng)的軟件功能強(qiáng)大，運(yùn)用VHDL語(yǔ)言來(lái)編寫，先在MAX+PLUS II對(duì)所編的模塊一一進(jìn)行仿真,排除了語(yǔ)法的錯(cuò)誤編寫和設(shè)計(jì)邏輯思維的錯(cuò)誤，當(dāng)仿真完確認(rèn)程序沒(méi)問(wèn)題時(shí)，再直接下載到FPGA芯片，用FPGA實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行調(diào)試。采取的就是自底向上的調(diào)試方法，即先單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊，然后再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)再

75、調(diào)試。</p><p>　　5.2.3 綜合調(diào)試</p><p>　　FPGA系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)是緊密相連的，將軟件編譯綜合并且通過(guò)下載對(duì)FPGA進(jìn)行適配，運(yùn)行中的FPGA是由其內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)控制讀出數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生波形。因此，如果在軟硬件都基本調(diào)通的情況下，系統(tǒng)的軟硬件綜合調(diào)試難度不是很大。</p><p><b>　　5.3 調(diào)試結(jié)果</b>&

76、lt;/p><p>　　5.3.1 軟件仿真結(jié)果及分析 </p><p><b>　　1.分頻</b></p><p>　?。?）仿真波形圖如圖11所示：</p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　CLKIN：基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入；</p>

77、<p>　　CLKOUT:分頻時(shí)鐘輸出；</p><p>　　MOVIN：處始置入值；</p><p><b>　?。?）仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　CLK_IN為輸入高頻時(shí)鐘脈沖，CLKOUT為分頻輸出的低頻時(shí)鐘脈沖。此分頻器輸入為1KHz，輸出為100Hz，為10分頻分頻器，如圖12所示。</p>

78、<p><b>　　2.信號(hào)波形產(chǎn)生</b></p><p><b>　　（1）正弦波</b></p><p>　　仿真波形圖如圖12所示：</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　FRCT：相位控制端；</p><p>

79、;<b>　　CLK：時(shí)鐘輸入；</b></p><p>　　SINOUT：正弦波輸出；</p><p>　　VSIN：正弦波地址寄存器；</p><p><b>　?。?）方波</b></p><p>　　仿真波形圖如圖13所示：</p><p><b>　　圖1

80、3</b></p><p><b>　　CLK：時(shí)鐘輸入；</b></p><p>　　FRCT：相位控制端；</p><p>　　SQUOUT：方波輸出；</p><p><b>　?。?）三角波</b></p><p>　　仿真波形圖如圖14所示：</p

81、><p><b>　　圖14</b></p><p><b>　　CLK：時(shí)鐘輸入；</b></p><p>　　FRCT：相位控制端；</p><p>　　TRIOUT：三角波輸出；</p><p>　?。?）任意波形的地址</p><p>　　仿真波形

82、圖如圖15所示：</p><p><b>　　圖15</b></p><p>　　FRCT：相位控制端；</p><p><b>　　CLK：時(shí)鐘輸入；</b></p><p>　　ADDOUT：地址輸出；</p><p><b>　　（5）波形選擇</b&g

83、t;</p><p>　　仿真波形圖如圖16所示：</p><p><b>　　圖16</b></p><p>　　RI：RAM的讀數(shù)控制端；</p><p>　　SELIN：波形選擇輸入端（0：正弦波；1：三角波；2：方波；3：任意波地址；4：三角波和正弦波的疊加；5：方波和正弦波的疊加；6：方波和三角波的疊加；7：三

84、種波形的疊加）</p><p>　　ADDIN：地址輸入端；</p><p>　　SININ：正弦波輸入端；</p><p>　　TRIIN：三角波輸入端；</p><p>　　SQUIN：方波輸入端；</p><p>　　QADD：地址輸出端；</p><p>　　Q：波形選擇輸出端；<

85、/p><p><b>　?。?）仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)仿真，從各個(gè)仿真圖上看得，基本上可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的波形產(chǎn)生功能。</p><p>　　5.3.2 綜合調(diào)試結(jié)果</p><p>　　1．基波的輸出波形如圖17所示： </p><p>　　（1）方波

86、 （2）正弦波 （3）三角波</p><p>　　圖17 基波輸出波形圖</p><p>　　2.諧波與基波疊加的輸出波形</p><p>　　（1）正弦與其三次諧波的疊加，如圖18與圖19所示：</p><p>　　圖18 圖19</p>

87、<p>　　（2）我們觀察到圖20D的波形，它也混有二次諧波，但這二次諧波帶有一定的相移(圖20C)。同樣地，當(dāng)觀察到圖21B的波形，我們就知道它除了基波以外混有三次諧波(見(jiàn)圖21A)。圖21D的波形也混有三次諧波，并帶有一定相移(圖21C)。</p><p>　?。ˋ） （B） （C） （D）</p><p>　　圖20 基波

88、與二次諧波疊加</p><p>　?。ˋ） （B） （C） （D）</p><p>　　圖21 基波與三次諧波的疊加圖</p><p><b>　　3．綜合調(diào)試數(shù)據(jù)</b></p><p>　?。?）輸出波形頻率范圍測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1所示 : </p>

89、;<p><b>　　單位：HZ</b></p><p><b>　　表1</b></p><p>　?。?） 輸出波形幅度范圍測(cè)試，在頻率為100HZ-1KHZ測(cè)得的輸出幅度數(shù)據(jù)范圍可以達(dá)到0-5V的要求。</p><p><b>　　6 結(jié) 論</b></p><

90、p>　　通過(guò)此次設(shè)計(jì)，讓我深深的感覺(jué)到自己所學(xué)知識(shí)真是非常的淺薄。面對(duì)電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，利用EDA手段進(jìn)行設(shè)計(jì)已成為不可阻擋的趨勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)至底向上的設(shè)計(jì)方式，自上而下的設(shè)計(jì)具有其顯著的優(yōu)越性。利用EDA設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)，方便快捷，減少了錯(cuò)誤率的產(chǎn)生，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及上市周期，既減輕了設(shè)計(jì)工作量又滿足了商業(yè)利益的需求。</p><p>　　該系統(tǒng)以FPGA10K10器件為核心部件，可利用軟件編程實(shí)

91、現(xiàn)了對(duì)D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)的處理。努力做到了線路簡(jiǎn)單、高性價(jià)比的特點(diǎn)，充分利用了軟件編程，彌補(bǔ)了硬件元器件的不足。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，遇到了軟件操作不熟練，程序編寫不規(guī)范等諸多問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的總結(jié)分析得出,應(yīng)用軟件的主要功能必須熟練操作，才能提高工作效率，需要規(guī)范操作的地方必須嚴(yán)格按照使用說(shuō)明操作，避免由于軟件使用不當(dāng)造成的錯(cuò)誤產(chǎn)生。程序的編寫格式必須規(guī)范，模塊、端口以及信號(hào)變量的命名應(yīng)當(dāng)反映實(shí)際意

92、義，縮進(jìn)格式工整明了，方便閱讀理解，這樣有利于程序的編寫，有利于分析調(diào)試，也有利于程序的重復(fù)使用。</p><p>　　此次課題的設(shè)計(jì)已告一段落，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用一些不曾學(xué)過(guò)的東西時(shí)，就要去有針對(duì)性地查找資料，然后加以吸收利用，以提高自己的應(yīng)用能力，而且還能增長(zhǎng)自己見(jiàn)識(shí)，補(bǔ)充最新的專業(yè)知識(shí)，學(xué)會(huì)了一些編程方面的常用算法。作為一名電子專業(yè)的畢業(yè)生，我將會(huì)繼續(xù)在新技術(shù)的道路上不斷鉆研、開(kāi)拓進(jìn)取。相信通過(guò)此次

93、設(shè)計(jì)的鍛煉，我對(duì)專業(yè)知識(shí)和技能的掌握將更加牢靠，在今后的工作和學(xué)習(xí)中，必將使我受益匪淺，取得應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。</p><p><b>　　致謝辭</b></p><p>　　在這里感謝指導(dǎo)老師鄭文斌給我耐心的指導(dǎo)，在這次設(shè)計(jì)期間，碰到許多專業(yè)方面的難題，鄭老師都一一幫我解答，特別在教學(xué)繁忙的情況下，還為我們提供了許多寶貴的資料和意見(jiàn)，并幫我們作出了詳細(xì)的分析，使我們更加順

94、利地完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。通過(guò)這一個(gè)多月的時(shí)間，使我學(xué)到許多知識(shí)，明白了許多以前上課時(shí)無(wú)法理解的知識(shí)，還積累了一些較簡(jiǎn)單的問(wèn)題解決方案。與此同時(shí)也感謝同組做課題設(shè)計(jì)的同學(xué)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有許多東西我不懂，他們都耐心地給我講解，給予我技術(shù)支援，幫助我解決了不少難題。另外由于該方面的設(shè)計(jì)水平有限，所以存在著許多缺陷和失誤，懇請(qǐng)老師批評(píng)指正。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p&

95、gt;<p>　　[1]潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實(shí)用教程（第二版）. 北京科學(xué)出版社. 2005.2</p><p>　　[2]億特科技. CPLD/FPGA應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā). 人民郵電出版社. 2005.7</p><p>　　[3]李輝. PLD與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì). 西安電子科技大學(xué)出版社. 2005.5&l

96、t;/p><p>　　[4]王志鵬，付麗琴. 可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)技術(shù)MAX+PLUS II.北京國(guó)防工業(yè)出版社.2005.3</p><p>　　[5]王道先. VHDL電路設(shè)計(jì)技術(shù). 北京國(guó)防工業(yè)出版社. 2004.1</p><p>　　[6] 趙不賄. 在系統(tǒng)可編程器件與開(kāi)發(fā)技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社.

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