基于FPGA LPM多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于FPGALPM多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：以FPGA芯片為載體，通過QuartusII的LPM_ROM模塊和VHDL語言為設(shè)計(jì)一個(gè)多功能信號(hào)發(fā)生器，根據(jù)輸入信號(hào)的選擇可以輸出遞增鋸齒波、遞減鋸齒波、三角波、階梯波和方波等5種信號(hào)，通過QuartusII軟件進(jìn)行波形仿真、定時(shí)分析，仿真正確后，利用實(shí)驗(yàn)板提供的資源，到芯片中實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

信號(hào)發(fā)生器又稱為波形發(fā)生器，是一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于電子電路、通信、控制和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。它是科研及工程實(shí)踐中重要的儀器之一，以往多用硬件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可維護(hù)性和可操作性不佳。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)制作越來越多的是用計(jì)算機(jī)技術(shù)，種類繁多，價(jià)格、性能差異很大。用FPGA或CPLD來實(shí)現(xiàn)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行功能仿真，而且FPGA和CPLD的片內(nèi)資源豐富，設(shè)計(jì)的流程簡(jiǎn)單。用FPGA所構(gòu)成的系統(tǒng)來產(chǎn)生波形信號(hào)，這個(gè)系統(tǒng)既能和主機(jī)系統(tǒng)相連，用相應(yīng)的上層軟件展示波形信號(hào)，又方便程序的編寫，而且還有A/D0809接口可以產(chǎn)生模擬信號(hào)的輸出和外面的示波器相連。

1正弦信號(hào)發(fā)生器的LPM定制

正弦信號(hào)發(fā)生器由計(jì)數(shù)器或地址發(fā)生器（6位）、正弦信號(hào)數(shù)據(jù)ROM（6位地址線，8位數(shù)據(jù)線，含有64個(gè)8位數(shù)據(jù)，一個(gè)周期）、原理圖頂層設(shè)計(jì)和8位D/A（實(shí)驗(yàn)中用DAC0832代替）。

其框圖如圖1所示。其中信號(hào)產(chǎn)生模塊將產(chǎn)生所需的各種信號(hào)，這些信號(hào)的產(chǎn)生可以有多種方式，如用計(jì)數(shù)器直接產(chǎn)生信號(hào)輸出，或者用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生存儲(chǔ)器的地址，在存儲(chǔ)器中存放信號(hào)輸出的數(shù)據(jù)。信號(hào)發(fā)生器的控制模塊可以用數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)，用8選1數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)對(duì)5種信號(hào)的選擇。

圖1信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

將波形數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。用示波器測(cè)試D/A轉(zhuǎn)換器的輸出，可以觀測(cè)到5種信號(hào)的輸出。

1.1定制初始化數(shù)據(jù)文件

QuartusII能接受的LPM_ROM模塊中的初始化數(shù)據(jù)文件的格式有兩種：。mif格式文件和。hex格式文件。實(shí)際應(yīng)用中只要使用其中一種格式的文件即可。下面采用。mif格式文件，調(diào)出產(chǎn)生ROM數(shù)據(jù)文件大小的選擇窗。根據(jù)64點(diǎn)8位正弦數(shù)據(jù)的情況，可選ROM的數(shù)據(jù)數(shù)Number為64，數(shù)據(jù)寬Wordsize取8位。單擊OK按鈕，將出現(xiàn)圖2所示的空的。mif數(shù)據(jù)表格，表格中的數(shù)據(jù)格式可通過鼠標(biāo)右鍵單擊窗口邊緣的地址數(shù)據(jù)彈出的窗口選擇。

圖2.mif數(shù)據(jù)表格

將波形數(shù)據(jù)填入mif文件表中也可以使用QuartusII以外的編輯器設(shè)計(jì)MIF文件，其格式如下：

#includestdio.h

#include"math.h"

main（）

{inti；floats；

for（i=0；i1024；i++）

{s=sin（atan（1）*8*i/1024）；

printf（"%d:%d；\n"，i，（int）（（s+1）*1023/2））；}}

把上述程序編譯成程序后，可在DOS命令行下執(zhí)行命令：

romgensin_rom.mif；

1.2定制LPM元件

打開MegaWizardPlug_InManager初始對(duì)話框，選擇Createanewcustom…項(xiàng)。單擊Next按鈕后，選擇Storage項(xiàng)下的LPM_ROM，再選擇ACEX1K器件和VHDL語言方式；輸入ROM文件存放的路徑和文件名：F:\sing_gnt\data_rom（定制的ROM元件文件名），單擊Next按鈕，選擇ROM控制線、地址線和數(shù)據(jù)線。這里選擇地址線位寬和ROM中數(shù)據(jù)數(shù)分別為6和64；選擇地址鎖存控制信號(hào)inclock。

對(duì)于地址信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。方法一：用VHDL語言設(shè)計(jì)6位計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生其元件符號(hào)；方法二：仍采用LPM定制的方法。

1.3完成頂層設(shè)計(jì)

按圖3畫出頂層原理圖，然后進(jìn)行編譯，波形仿真如圖4所示。

圖3簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器頂層電路設(shè)計(jì)

圖4當(dāng)前工程仿真波形輸出

對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)通過執(zhí)行QuartusII的命令Create∠Update/CreateSymbolFilesforCurrentFile，可以為設(shè)計(jì)電路建立一個(gè)元件符號(hào)，以便被頂層設(shè)計(jì)多功能信號(hào)發(fā)生器所調(diào)用。

2其他信號(hào)部分原程序

其他各信號(hào)發(fā)生器可參照正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)或直接采用VHDL硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。

LIBRARYIEEE；--遞增鋸齒波的設(shè)計(jì)

USEIEEE.STDLOGIC1164.ALL；

USEIEEE.STDLOGICUNSIGNED.ALL；

ENTITYsignal2IS--遞增鋸齒波signal1

PORT（clk，reset：INstd_logic；--復(fù)位信號(hào)reset，時(shí)鐘信號(hào)clk

q：OUTstd_logic_vector（7DOWNTO0））；--輸出信號(hào)q

ENDsignal2；

ARCHITECTUREbOFsignal2IS

BEGIN

PROCESS（clk，reset）

VARIABLEtmp：std_logic_vector（7DOWNTO0）；

BEGIN

IFreset='0'THEN

tmp：="00000000"；

ELSITrising_ege（clk）THEN

IFtmp="11111111"THEN

tmp：="00000000"；

ELSE

tmp：=tmp+1；--遞增信號(hào)的變化

ENDIF；

ENDIF；

q=tmp：

ENDPROCESS；

ENDb；

LIBRARYIEEE；--方波的設(shè)計(jì)

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；

entitysignal5is--方波signal5

PORT（clk，reset：instd_logic；--復(fù)位信號(hào)reset，時(shí)鐘信號(hào)clk

q：outstd_logic_vector（7DOWNTO0））；--輸出信號(hào)q，8位數(shù)字信號(hào)

ENDsignal5；

ARCHITEECTUREaOFsignal5IS

SIGNAL；a：std_logic；

BEGIN

PROCESS（clk，reset）

YARIABLEtmp：std_logic_vector（7downto0）；

BEQIN

IFreset='0'then

a='0'；

elsifrising_edge（clk）THEN

IFtmp="11111111"THEN

tmp：="00000000"；

ELSE

tmp：=tmp+1；

ENDIF；

iftmp="10000000"then

a='1'；

else

a='0'；

ENDIF；

ENDIF；

ENDPROCESS；

PROCESS（clk，a）

BEGIN

IFrising_edge（clk）THEN

IFa='1'THEN

q="11111111"；

ELSE

q="00000000"；

ENDIF；

ENDIF；

ENDPROCESS；

ENDa；

3頂層電路的設(shè)計(jì)

將上述6個(gè)模塊生成符號(hào)，供頂層電路調(diào)用。這些模塊分別是：遞減鋸齒波信號(hào)產(chǎn)生模塊signall、遞增鋸齒波信號(hào)產(chǎn)生模塊signal2、三角波信號(hào)產(chǎn)生模塊signal3、階梯波信號(hào)產(chǎn)生模塊signal4、方波信號(hào)產(chǎn)生模塊signal5和數(shù)據(jù)選擇器mux51。頂層電路的連接如圖5所示。

圖5信號(hào)發(fā)生器頂層電路

4D/A轉(zhuǎn)換器的連接

選擇一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)選擇器的輸出與D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接。D/A轉(zhuǎn)換器的可選范圍很寬，這里以常用的DAC0832為例。DAC0832的連接電路如圖6所示。

圖6DAC0832的連接電路

5實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

信號(hào)發(fā)生器頂層電路的仿真波形如圖7所示，這里只就輸入選擇信號(hào)等于5時(shí)的情況進(jìn)行仿真，此時(shí)輸出波形是方波，輸出的數(shù)字信號(hào)為周期性的全0或全1。

圖7信號(hào)發(fā)生器頂層電路的仿真波形

信號(hào)發(fā)生器的底層電路模塊也可以分別進(jìn)行仿真，例如對(duì)階梯波信號(hào)產(chǎn)生模塊signal4進(jìn)行仿真，仿真波形如圖8所示，輸出的數(shù)字信號(hào)為階梯狀變化。

圖8階梯波信號(hào)產(chǎn)生模塊signal4的仿真波形

6結(jié)束語

硬件電路設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)思想的可視化，是相關(guān)模塊的電路圖的匯總和其相關(guān)仿真波形的集錦，該部分條理清晰，思路明確，從中我們可以清晰地看到該設(shè)計(jì)方案的具體模塊和整個(gè)設(shè)計(jì)的原理結(jié)構(gòu)實(shí)圖；程序設(shè)計(jì)這一部分主要闡述該設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)思想，進(jìn)一步從軟件設(shè)計(jì)上揭示設(shè)計(jì)構(gòu)思，主要包含了整個(gè)設(shè)計(jì)所用到的模塊的硬件描述語言的設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)思路清晰，通過QuartusII軟件進(jìn)行波形仿真成功，特別是正弦信號(hào)發(fā)生器的LPM定制對(duì)于編程不是特別強(qiáng)的人員提供另一種途徑來實(shí)現(xiàn)，加深理解EDA的層次設(shè)計(jì)思想，很好的把