FPGA應(yīng)用競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告基于FPGA的任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、第一屆“炬力杯”fpga應(yīng)用競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告參賽作品：基于fpga的任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)the arbitrary waveform generator design based on fpga參賽學(xué)生：（機(jī)械學(xué)院ie夢(mèng)之隊(duì)）指導(dǎo)老師： 指導(dǎo)學(xué)長(zhǎng)： 2009年7月10日華中科技大學(xué)電工電子科技創(chuàng)新中心基于fpga的任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)林嘉良，劉洵，張瑩（華中科技大學(xué)電工電子科技創(chuàng)新中心，武漢 430074）摘 要：傳統(tǒng)的波形發(fā)生器采用模擬技術(shù)的方法，這種方法構(gòu)成的波形發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡(jiǎn)單波形。而現(xiàn)在在高科技領(lǐng)域，我們需要的可能是一些任意波形，如在保密雷達(dá)發(fā)

2、波等軍事方面和地震波形、汽車碰撞波形等模擬仿真應(yīng)用方面。任意波形發(fā)生器現(xiàn)在被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、振動(dòng)激勵(lì)、儀器儀表領(lǐng)域。我國目前在這方面還比較落后，特別是在用dds技術(shù)實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器方面。本課題我們打算用dds技術(shù)基于fpga核心板設(shè)計(jì)一個(gè)任意波形發(fā)生器。該儀器我們用labview來寫的控制面板實(shí)現(xiàn)與fpga的通信，實(shí)現(xiàn)任意波形數(shù)據(jù)的采集，并具有良好的人機(jī)交互界面。用液晶顯示屏顯示波形的幅度和頻率。用44鍵盤控制相關(guān)波形的輸出。用ad和低通濾波電路實(shí)現(xiàn)數(shù)電到模電的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：fpga，任意波形，dds，labview the arbitrary waveform generator d

3、esign based on fpga lin jialiang,liuxun,zhang ying (science and technology innovation center of electrician and electron, huazhong university of science and technology, wuhan 430074)abstract：the traditional waveform generator adopts the method of simulation technology, the circuit structure is compl

4、ex for the waveform generator using this kind of method , which can only produce sine， square-wave, sawtooth wave ， triangular wave and so on. and now in the high-tech fields, we may need some arbitrary waveform, for example the confidential wave generated by radar in military aspects and seismic wa

5、ves,and automobile collisions wave simulation application. arbitrary waveform generator is now widely used in automatic control system, forced vibration, instruments field. at present in this respect, especially in achieving arbitrary waveform generator with dds technology our country is a little ba

6、ckward. in this task we intend to use dds technology based on fpga core board to design an arbitrary waveform generator. about the instrument we rely on control panel by labview to communicate with fpga, realize arbitrary waveform data acquisition, and we have good human-machine interface. wave ampl

7、itude and frequency are displayed by lcd, 4 * 4 keyboard is used to control related waveform output. ad and low pass filter realize the change between digital electricity and simulative electricity. key words ： fpga, sensors, arbitrary waveform ,dds，labview一、方案論證與選擇1.功能與指標(biāo)本系統(tǒng)主要是為了產(chǎn)生任意波形而設(shè)計(jì)的。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器

8、采用模擬技術(shù)的方法，這種方法構(gòu)成的波形發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡(jiǎn)單波形。而現(xiàn)在在高科技領(lǐng)域，我們需要的可能是一些任意波形，如在保密雷達(dá)發(fā)波等軍事方面和地震波形、汽車碰撞波形等模擬仿真應(yīng)用方面。任意波形發(fā)生器現(xiàn)在被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、振動(dòng)激勵(lì)、儀器儀表領(lǐng)域。本課題我們打算用dds技術(shù)基于fpga核心板設(shè)計(jì)一個(gè)任意波形發(fā)生器。該儀器能產(chǎn)生常規(guī)的波形和任意波形。 本系統(tǒng)具有如下功能：在系統(tǒng)連接上位機(jī)時(shí)，通過用labview生成控制面板來控制fpga產(chǎn)生任意波形，所能產(chǎn)生波形包括通過控制面板按鍵選擇函數(shù)生成所需的規(guī)則波形和通過鼠標(biāo)在控制面板上畫出的任意波形。當(dāng)系

9、統(tǒng)沒和上位機(jī)相連接時(shí)，通過按鍵輸入所需的規(guī)則的波形類型，頻率和幅值，以便于在沒電腦時(shí)可以當(dāng)普通函數(shù)發(fā)生器使用。該系統(tǒng)配備一個(gè)數(shù)碼管在系統(tǒng)脫機(jī)的情況下能顯示波形的類型，頻率和幅值。 2.方案比較與選擇1. da轉(zhuǎn)換芯片的選擇方案一：用串行的da轉(zhuǎn)換芯片，工作起來簡(jiǎn)單，電路和驅(qū)動(dòng)程序也簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換速度不高。方案二：用并行的da轉(zhuǎn)換芯片，電路稍微復(fù)雜點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)程序差不多，轉(zhuǎn)換速度快 考慮到我們?cè)O(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器輸出波形的頻率最大值是100k左右，da轉(zhuǎn)換速度要在1m左右，一般便宜的串行da都很難達(dá)到這個(gè)速度，而并行da卻很容易達(dá)到。并且并行da生成的八位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更方便。d/a芯片我們采用了市面上比較

10、常用的 dac0832，該芯片的轉(zhuǎn)換速度是1m，價(jià)格便宜，所以用dac0832就足以滿足我們的設(shè)計(jì)要求了。2. 顯示模塊方案一：用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示波形類型，頻率值和電壓幅值。方案二：用液晶顯示屏顯示波形類型，頻率值和電壓幅值。 方案一需要很多個(gè)數(shù)碼管才可以顯示波形類型，頻率值和電壓幅值，增加了電路的復(fù)雜性和成本；而用一個(gè)液晶顯示屏就能一次性在一個(gè)屏幕上顯示波形類型，頻率值和電壓幅值，顯示簡(jiǎn)單易懂，也減少布線的復(fù)雜性，所以選擇方案二比方案一好。3.濾波放大電路方案一：用7階貝塞爾濾波器，據(jù)相關(guān)資料介紹7階貝塞爾濾波器用在任意波形的濾波效果非常好，但構(gòu)成電路復(fù)雜。方案二：用性能好點(diǎn)的運(yùn)算放大器能同時(shí)

11、滿足濾波和放大的功能，電路簡(jiǎn)潔易成功，但功能相對(duì)差點(diǎn)。 方案一的效果可能比方案二要好，但要算所需的電阻和電感的數(shù)值比較費(fèi)時(shí)間，我們也很欠缺相關(guān)方面的知識(shí)。方案二效果雖然差點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單，同時(shí)能滿足濾波和放大的功能。由于d/a模塊輸出的最大電壓只有5伏，為了獲得更大的電壓，需要對(duì)電壓進(jìn)行運(yùn)算放大，同時(shí)考慮帶通要200k左右，性能好點(diǎn)的運(yùn)算放大器就能滿足了，這里我們用了opa637芯片。所以經(jīng)過衡量后，我們選擇了方案二，用opa637芯片來實(shí)現(xiàn)濾波和放大。3整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案綜合考慮和比較上述三個(gè)子模塊的幾種方案，我們確定了我們?cè)O(shè)計(jì)的硬件的總體方案。在該系統(tǒng)中，我們采用fpga作為數(shù)據(jù)處理和控制

12、核心，用上位機(jī)和鍵盤作為波形類型，頻率和幅值參數(shù)的輸入，用并行da作為波形濾波和放大模塊，用液晶顯示屏在脫機(jī)時(shí)顯示波形類型，頻率和幅值。二、硬件設(shè)計(jì)思想及原理圖該系統(tǒng)所用到的硬件主要包括fpga核心板，串口通信模塊，d/a轉(zhuǎn)換模塊，放大電路模塊，鍵盤模塊，顯示器模塊，電源的模塊各部分詳細(xì)介紹如下:1. fpga核心板如講義設(shè)計(jì)，在此略。2. d/a轉(zhuǎn)換模塊：考慮到我們?cè)O(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器輸出波形的頻率最大值是100k左右，所以d/a芯片我們采用了市面上比較常用的 dac0832，該芯片的轉(zhuǎn)換速度是1m，所以用dac0832就足以滿足我們的設(shè)計(jì)要求了。另外，由于dac0832是電流輸出型的d/a

13、轉(zhuǎn)換器，因此要經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路將電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，所以我們采用ne5532運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)。由于dac0832支持直接轉(zhuǎn)換模式，即二進(jìn)制數(shù)直接輸來直接轉(zhuǎn)換，無需驅(qū)動(dòng)程序，所以我們可把dac0832的1,17,2,18和3腳直接接地，19，20和8腳直接接高電平，這樣接后二進(jìn)制數(shù)直接輸來直接轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)。由于波形輸出有正負(fù)值，所以我們采用ne5532來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，電路圖如下圖所示，其中當(dāng)輸進(jìn)的二進(jìn)制數(shù)是11111111是輸出是+5伏，當(dāng)輸入是10000000時(shí)是0伏，當(dāng)輸入是00000000時(shí)是-5伏，這樣就實(shí)現(xiàn)了輸出是-5伏到+5伏的電壓。3. 濾波放大電路：由于d/a模塊輸出的最大電壓

14、只有5伏，為了獲得更大的電壓，需要對(duì)電壓進(jìn)行運(yùn)算放大，考慮帶通要200k左右，性能好點(diǎn)的運(yùn)算放大器就能滿足了，這里我們用了opa637芯片。在這里我們?cè)O(shè)計(jì)對(duì)d/a輸出的電壓增益1.5倍，根據(jù)公式f=1/(2*3.14rc)設(shè)計(jì)了10mhz低通，電路圖如下所示：4液晶模塊：為了能顯示輸出波形的頻率和電壓伏值，需要能動(dòng)態(tài)顯示的模塊，因?yàn)閚ios ii 中提供的lcd ip core兼容的是optrex 16207，而optrex 16207的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與jhd1602的是一樣的，所以可以用jhd1602來代替optrex 16207。在這里我們采用了jhd1602，因?yàn)檫@款液晶在市場(chǎng)上比較好買到，電

15、路圖如下圖所示：5.鍵盤模塊：為了使該儀器在脫機(jī)狀態(tài)下還能當(dāng)普通波形發(fā)生器使用，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)44鍵盤，在脫機(jī)情況下通過鍵盤輸入控制信息，鍵盤功能分布如下圖所示：0123456789hzkhz未用未用未用波形選擇6，串口通信模塊：為了使上位機(jī)輸來的的二進(jìn)制波形數(shù)據(jù)能傳入通過nios定制的雙端口rom，需要設(shè)計(jì)一個(gè)串口通信模塊，考慮到fpga的io口電壓是3.3伏，所以我們采用了max3232芯片，電路圖如下圖所示：7.電源模塊：由于dac0832，ne5532和opa637都需要+-5伏電壓才能工作所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)極性反轉(zhuǎn)電路，這里我們采用了tc7662a芯片。又因?yàn)閐ac0832進(jìn)行數(shù)模

16、轉(zhuǎn)換時(shí)需要參考電壓，為了使輸出的電壓值比較準(zhǔn)確，需要對(duì)電源穩(wěn)壓，我們這里用了lm7805來穩(wěn)+5伏電壓，電路圖如下圖所示：四、軟件設(shè)計(jì)思想與流程框圖軟件部分主要完成了人機(jī)交互模塊，sopc軟核模塊。軟核驅(qū)動(dòng)程序模塊正在編寫中。在這先介紹下完成的人機(jī)交互模塊和sopc軟核模塊。1. 人機(jī)交互模塊：上位機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境采用ni（美國國家儀器公司）的labview 8.6。根據(jù)上位機(jī)所要完成的任務(wù)，采用labview 8.6設(shè)計(jì)了三種控制模式，一種是基本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，用戶通過在界面上直接用鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行選擇，可以輸出正弦波、三角波、方波、鋸齒波，其中頻率、幅值、方波占空比等均可調(diào)，將波形數(shù)據(jù)通過串

17、口送入下位機(jī)；一種用于以公式形式的波形輸入，用戶直接輸入波形公式，系統(tǒng)采集相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過串口送入下位機(jī)，同時(shí)可以在控制面板上進(jìn)行波形參數(shù)的調(diào)節(jié)。使用公式輸出用戶需要的波形，雖然波形非常精確，但卻不能囊括現(xiàn)實(shí)世界中遇到的一些無法用公式來表達(dá)的波形，為彌補(bǔ)使用公式輸出的缺憾，設(shè)計(jì)了另一種采用鼠標(biāo)繪制波形的方式，用戶移動(dòng)鼠標(biāo)可繪制出自己需要的任意波形，系統(tǒng)采集相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過串口送入下位機(jī)中?？刂平缑嫒缦聢D所示：2. sopc軟核模塊：根據(jù)需求我們?cè)趕opc里添加了標(biāo)準(zhǔn)型cpu內(nèi)核，jtag uart core，sdram controller core，uart controller

18、 core，pio，lcd ip core，timer計(jì)時(shí)器，生成的軟核如下圖所示：在 nios ii 處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，還需要在fpga 的剩余邏輯單元上添加一些其它的處理器外圍電路，來完成一些輔助性的工作。主要包括用于給系統(tǒng)各部分分配時(shí)鐘的鎖相環(huán)電路（pll）和復(fù)位延遲電路。如下圖所示： pll 分頻模塊復(fù)位延遲電路路可以使pll 在系統(tǒng)復(fù)位或者是系統(tǒng)配置之后能夠利用這段延遲時(shí)間穩(wěn)定下來，如下圖所示： 復(fù)位延遲模塊注：我們的工作就做了這些，由于時(shí)間關(guān)系就簡(jiǎn)單說明如上，我們還剩下用c語言寫各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序和主函數(shù)的工作以及作品調(diào)節(jié)工作。五、系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)1.測(cè)試儀器 表一 測(cè)試使用的儀

19、器序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1示波器 tds10021tektronix2直流穩(wěn)壓電源（5.0v）1寧波中策電子有限公司3萬用電表 15b1fluck4學(xué)習(xí)用的fpga開發(fā)板12上位機(jī)工作部分檢測(cè)在系統(tǒng)連接上位機(jī)時(shí)，通過用labview生成控制面板來控制fpga產(chǎn)生任意波形，所能產(chǎn)生波形包括通過控制面板按鍵選擇函數(shù)生成所需的規(guī)則波形和通過鼠標(biāo)在控制面板上畫出的任意波形。3，液晶顯示模塊檢測(cè)由于作品未完成這部分還沒能檢測(cè) 六、結(jié)果分析指標(biāo)闡述、誤差分析、所設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)以及改進(jìn)意見這個(gè)任意函數(shù)發(fā)生儀最大的特色是，使用使用fpga開發(fā)板和簡(jiǎn)單的電路就能用數(shù)字電路方法來實(shí)現(xiàn)任意波形的輸出。在脫機(jī)時(shí)可用鍵盤完成常規(guī)波形的輸出。而目前市場(chǎng)上的示波器都是用模擬電路實(shí)現(xiàn)的只能輸出常規(guī)波形，并且價(jià)格昂貴。但是該系統(tǒng)也同樣存在著很多不足之處。該系統(tǒng)的每一個(gè)部分的電路都是比較簡(jiǎn)單，在排除干擾方面的設(shè)計(jì)考慮不足；濾波部分我們選擇了用運(yùn)算放大器來濾波，濾波效果不是很好；跟上位機(jī)通信我們用的是串口通信，速度慢，可改進(jìn)為用usb通信；另外我們的系統(tǒng)產(chǎn)生的波形的頻率