基于FPGA的方波信号发生器.docx
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基于FPGA的方波信号发生器
EDA课程设计实验报告
基于FPGA的方波信号发生器
设计内容:
基于FPGA的方波信号发生器
代课老师:
学号:
姓名:
专业:
电子与通信工程
摘要:
本设计是采用了EDA技术设计的方波信号发生器。
实现是基于FPGA语言描述正弦波基波和多次谐波叠加模块,然后在QuartusⅡ软件上实现波形的编译,仿真和下载到Cyclone芯片上。
整个系统由正弦波产生模块、数码管显示模块、波形频率控制和波形幅度控制四个部分组成。
最后经过QuartusⅡ软件仿真,证明此次设计可以通过多次谐波叠加形成方波,并通过频率控制和幅度控制改变方波波形。
关键字:
VHDL;QuartusⅡ;Cyclone;函数信号发生器
1、QuartusII软件简介
1.1QuartusII软件介绍
QuartusII是Alera公司推出的一款功能强大,兼容性最好的EDA工具软件。
该软件界面友好、使用便捷、功能强大,是一个完全集成化的可编程逻辑设计环境,具有开放性、与结构无关、多平台完全集成化丰富的设计库、模块化工具、支持多种硬件描述语言及有多种高级编程语言接口等特点。
QuartusII是Altera公司推出的CPLD/FPGA开发工具,QuartusII提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境,具有数字逻辑设计的全部特性,包括:
可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成电路描述,并将其保存为设计实体文件;芯片平面布局连线编辑;功能强大的逻辑综合工具;完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具;定时/时序分析与关键路径延时分析;可使用SignalTapII逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析;支持软件源文件的添加和创建,并将它们链接起来生成编程文件;使用组合编译方式可一次完成整体设计流程;自动定位编译错误;高效的期间编程与验证工具;可读入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文件;能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。
1.2QuartusII软件设计流程
(1)打开QuartusII软件。
(2)选择路径。
注意:
工作目录名不能有中文。
(3)添加设计文件。
(4)选择FPGA器件。
Family选择Cyclone,240,8。
(5)建立原理图或用VHDL语言描述设计电路。
(6)对原理图或用VHDL语言进行编译,无误后进行添加信号。
(7)对上述电路进行仿真。
(8)进行管脚分配。
(9)全局编译,采用JTAG或者AS模式进行下载测试.
2、系统设计方案
采用现场可编程逻辑阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)设计DDS电路比专用DDS芯片更具灵活性。
因为只要通过改变FPGA内部波形存储器中的波形数据,就可以实现任意波形输出,这使得用FPGA来实现DDS具有相当大的灵活性。
相比之下,FPGA所能实现的功能完全取决于设计需求,可以简单也可以复杂,另外,FPGA芯片还支持在系统升级,虽然在精度和速度上略有不足,但是基本上能满足绝大数系统的要求,并且,将DDS设计嵌入到FPGA内部所构成的系统中,其系统成本并不会增加多少,而专用DDS芯片的价格一般也比FPGA高。
因此,采用FPGA来设计DDS系统具有较高的性价比。
本设计利用正弦波的基波和多次谐波合成方波,通过相关按键来调节方波的频率相位和幅度,并在数码管上显示出来。
图1
2.1方波分解为多次正弦波之和的原理
代表周期性方波信号的函数
满足狄利克雷条件,即方波可以表示为多次正弦波之和。
如图2所示方波信号,其周期为2且正半周期负半周期是形状全同的矩形,在区间(0,2)内可用函数表示为:
若将
展开为三角傅里叶级数,即将
分解为多次正弦波之和,则有式(13)、式(14)可知,在区间(0,2)内,如图1所示的周期为2的方波信号的
,
,
的值分别为:
=
=
=
图2
则在区间(0,2)内
可表示为:
即周期为2s的方波信号中含有大量的正弦波,其频率分别为1/2,3/2,5/2,7/2···其中频率为1/2的正弦波称为基波,其他频率的正弦波称为谐波。
即一周期性方波,可表示为基波与无穷多谐波之和。
实用中进行信号分析时,不可能取无穷多次谐波之和,而只能用有限项来近似表示。
这样就无法避免有一误差
,如果将基波加到
次谐波之和后的函数表示为
,则有
=
+
,即
=
-
。
这里采用基波和3、5、7次谐波来合成方波。
2.2DDS波形发生器产生正弦波
直接数字频率合成器DDS(DirectDigitalSynthesizer)是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。
一个直接数字频率合成器由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。
DDS的原理框图如图3所示:
图3
其中K为频率控制字、fC为时钟频率,N为相位累加器的字长,D为ROM数据位及D/A转换器的字长。
相位累加器在时钟fC的控制下以步长K作累加,输出N位二进制码作为波形ROM的地址,对波形ROM进行寻址,波形ROM输出的幅码S(n)经D/A转换器变成阶梯波S(t),再经低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形了。
合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅码,因此用DDS可以产生任意波形。
这里我们用DDS实现正弦波的合成。
2.2.1.频率预置与调节电路
不变量K被称为相位增量,也叫频率控制字。
DDS方程为:
f0=fCK/2N,f0为输出频率,fC为时钟频率。
当K=1时,DDS输出最低频率(也即频率分辨率)为fC/2N,而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定,即fC/2,也就是说K的最大值为2N-1。
因此,只要N足够大,DDS可以得到很细的频率间隔。
要改变DDS的输出频率,只要改变频率控制字K即可。
2.2.2相位累加器
相位累加器是整个DDS的核心,它由一个加法器和一个寄存器构成。
加法器的一个输入与寄存器输出相连,另一个输入是外部输入的频率控制字。
这样,在每个时钟到达时,相位寄存器采样上个时钟周期内相位寄存器的值与频率控制字之和,并作为相位累加器在这一时钟周期的输出。
频率控制字决定了相应的相位增量,相位累加器则不断地对该相位增量进行线性累加,当相位累加器加满量时就会产生一次溢出,从而完成一个周期性的动作,这个动作周期即是DDS合成信号的一个频率周期。
图4
2.2.3波形ROM查找表
波形ROM模块由ROM:
1-port宏模块生成,其地址线的位宽为9位,数据线的位宽为8位,即一个周期的波形数据有512个,每个数据占8位,其输出可直接DAC0832。
ROM中的MIF数据文件可使用Mif_Maker2010.exe软件生成。
图5
2.3按键控制设计
按键的功能主要实现控制频率和振幅,消除防抖动等.其工作流程如图6所示.
图6
2.4D/A数模转换模块设计
产生的数字正弦波需要经过数模转换成模拟输出,这里设计出8位的D/A转换器,相关代码和电路如图7所示
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
useieee.std_logic_arith.all;
entitydac0832is
port
(
clk:
instd_logic;
WR_n:
outstd_logic;
datin:
instd_logic_vector(7downto0);
Analog_D:
outstd_logic_vector(7downto0)
);
enddac0832;
architecturert1ofDAC0832is
begin
WR_n<='0';
process(clk)
begin
ifclk'eventandclk='1'then
Analog_D<=datin;
endif;
endprocess;
endrt1;
图7
2.5数码管显示设计
数码管动态扫描,通过四段数码管对输出波形频率和幅度进行调节,期中数码管的其工作流程图如图8所示.
图8
3.系统调试和实验结果
利用正弦波的基波和多次谐波合成方波,通过相关按键来调节方波的频率和幅度,并在数码管上显示出来。
方波经过调幅调频调相后的对比图如下图所示.
原图
调频
振幅
相位
4.设计总结
FPGA是当前数字系统设计领域比较火热的一种工具,它可以大大缩短设计需要的时间,降低成本的同时也提高了系统的稳定性。
使用VHDL语言描述硬件系统使得FPGA技术有了更广阔的应用领域。
本设计使用了基于Altera公司的FPGA系列,采用Altera公司提供的系统开发工具QuartusII软件进行了系统的设计和仿真。
对FPGA一直都有着浓厚的兴趣,借做课设的机会,认真的研究了一下这门科学。
发现FPGA技术比我想象中的要有很大的难度。
里面有很多的思想来源于信息电子技术里面的基本知识,包括门电路的概念以及寄存器传送的基本知识。
VHDL语言与C语言有很大的不同,但是C语言的编程思想也可以移植到VHDL语言中,尤其是一些逻辑算法的设计,需要有很强的C语言编程功底。
学习一门知识要从最基本的体系架构开始,倘若一开始就从顶层设计入手,就会造成很多基本原理、基本概念上的偏差,甚至会拖延学习设计的时间,事倍功半。
虽然课设完成了,但是我意识到,我对FPGA技术仅仅只是停留在入门的阶段,想要有更大的发展,更深入的研究,还需要更多的努力与实践。
参考文献
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清华大学出版社,2005.7
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北京航空航天大学出版社,2004.5
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电子工业出版社.
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哈尔滨工业大学出版社.
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【7】褚振勇,翁木云.FPGA设计及应用[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2003:
1-22.
当我被上帝造出来时,上帝问我想在人间当一个怎样的人,我不假思索的说,我要做一个伟大的世人皆知的人。
于是,我降临在了人间。
我出生在一个官僚知识分子之家,父亲在朝中做官,精读诗书,母亲知书答礼,温柔体贴,父母给我去了一个好听的名字:
李清照。
小时侯,受父母影响的我饱读诗书,聪明伶俐,在朝中享有“神童”的称号。
小时候的我天真活泼,才思敏捷,小河畔,花丛边撒满了我的诗我的笑,无可置疑,小时侯的我快乐无虑。
“兴尽晚回舟,误入藕花深处。
争渡,争渡,惊起一滩鸥鹭。
”青春的我如同一只小鸟,自由自在,没有约束,少女纯净的心灵常在朝阳小,流水也被自然洗礼,纤细的手指拈一束花,轻抛入水,随波荡漾,发髻上沾着晶莹的露水,双脚任水流轻抚。
身影轻飘而过,留下一阵清风。
可是晚年的我却生活在一片黑暗之中,家庭的衰败,社会的改变,消磨着我那柔弱的心。
我几乎对生活绝望,每天在痛苦中消磨时光,一切都好象是灰暗的。
“寻寻觅觅冷冷清清凄凄惨惨戚戚”这千古叠词句就是我当时心情的写照。
最后,香消玉殒,我在痛苦和哀怨中凄凉的死去。
在天堂里,我又见到了上帝。
上帝问我过的怎么样,我摇摇头又点点头,我的一生有欢乐也有坎坷,有笑声也有泪水,有鼎盛也有衰落。
我始终无法客观的评价我的一生。
我原以为做一个着名的人,一生应该是被欢乐荣誉所包围,可我发现我错了。
于是在下一轮回中,我选择做一个平凡的人。
我来到人间,我是一个平凡的人,我既不着名也不出众,但我拥有一切的幸福:
我有温馨的家,我有可亲可爱的同学和老师,我每天平凡而快乐的活着,这就够了。
天儿蓝蓝风儿轻轻,暖和的春风带着春的气息吹进明亮的教室,我坐在教室的窗前,望着我拥有的一切,我甜甜的笑了。
我拿起手中的笔,不禁想起曾经作诗的李清照,我虽然没有横溢的才华,但我还是拿起手中的笔,用最朴实的语言,写下了一时的感受:
人生并不总是完美的,每个人都会有不如意的地方。
这就需要我们静下心来阅读自己的人生,体会其中无尽的快乐和与众不同。
“富不读书富不久,穷不读书终究穷。
”为什么从古到今都那么看重有学识之人?
那是因为有学识之人可以为社会做出更大的贡献。
那时因为读书能给人带来快乐。
自从看了《丑小鸭》这篇童话之后,我变了,变得开朗起来,变得乐意同别人交往,变得自信了……因为我知道:
即使现在我是只“丑小鸭”,但只要有自信,总有一天我会变成“白天鹅”的,而且会是一只世界上最美丽的“白天鹅”……
我读完了这篇美丽的童话故事,深深被丑小鸭的自信和乐观所折服,并把故事讲给了外婆听,外婆也对童话带给我们的深刻道理而惊讶不已。
还吵着闹着多看几本名着。
于是我给外婆又买了几本名着故事,她起先自己读,读到不认识的字我就告诉她,如果这一面生字较多,我就读给她听整个一面。
渐渐的,自己的语文阅读能力也提高了不少,与此同时我也发现一个人读书的乐趣远不及两个人读的乐趣大,而两个人读书的乐趣远不及全家一起读的乐趣大。
于是,我便发展“业务”带动全家一起读书……现在,每每遇到好书大家也不分男女老少都一拥而上,争先恐后“抢书”,当我说起我最小应该让我的时候,却没有人搭理我。
最后还把书给撕坏了,我生气地哭了,妈妈一边安慰我一边对外婆说:
“孩子小,应该让着点。
”外婆却不服气的说:
“我这一把年纪的了,怎么没人让我呀?
”大家人你一言我一语,谁也不肯相让……读书让我明白了善恶美丑、悲欢离合,读一本好书,犹如同智者谈心、谈理想,教你辨别善恶,教你弘扬正义。
读一本好书,如品一杯香茶,余香缭绕。
读一本好书,能使人心灵得到净化。
书是我的老师,把知识传递给了我;书是我的伙伴,跟我诉说心里话;书是一把钥匙,给我敞开了知识的大门;书更是一艘不会沉的船,引领我航行在人生的长河中。
其实读书的真真乐趣也就在于此处,不是一个人闷头苦读书;也不是读到好处不与他人分享,独自品位;更不是一个人如痴如醉地沉浸在书的海洋中不能自拔。
而是懂得与朋友,家人一起分享其中的乐趣。
这才是读书真正之乐趣呢!
这所有的一切,不正是我从书中受到的教益吗?
我阅读,故我美丽;我思考,故我存在。
我从内心深处真切地感到:
我从读书中受到了教益。
当看见有些同学宁可买玩具亦不肯买书时,我便想到培根所说的话:
“世界上最庸俗的人是不读书的人,最吝啬的人是不买书的人,最可怜的人是与书无缘的人。
”许许多多的作家、伟人都十分喜欢看书,例如毛泽东主席,他半边床上都是书,一读起书来便进入忘我的境界。
书是我生活中的好朋友,是我人生道路上的航标,读书,读好书,是我无怨无悔的追求。
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