基于FPGA的三相正弦波发生器

1、短学期课程设计报告设计名称：电子技术课程设计设计题目：基于 FPGAFPGA 的三相正弦波发生器院（系）:信息学院计算机科学与技术系年 级：20142014 级指导教师：张辉波西南交通大学20162016 年 7 7 月目录一、.绪论41.1 设计目的.41.2 设计要求.4二、.方案设计42.1 概论设计.42.2 各子系统模块 .5.2.3 使用器件说明.5.三、.详细设计63.1 设计原理.6.3.2 正弦波设计.6.3.3 三相波叠加.7.3.4 分频设计.8.3.5 引脚锁定 . 9四、.测试及使用说明104.1 测试步骤. 104.2 实验结果. 11五、 结论.13六、 实习总结

2、.1.3.附件：.161.1.电路原理图. 162.2.PCB 版图163.Verilog 代码17一、绪论1.1 设计目的三相交流电是三个频率相同的交流电的组合， 相位彼此相差 120120 度，主要应用于需要大电力的场合并且三相交流电的频率可调。 在此 基础上研究关于三相正弦波的研究。基于 FPGAFPGA 的三相正弦波发生器，在 CycloneCycloneH系列EP2C8T144C8EP2C8T144C8 上实现正弦波信号的产生，利用单片机 PICI8F4550PICI8F4550 控 制波形的频率及相位差。同时单片机通过 DAC0832DAC0832 控制波形数据转 换 DACDAC

3、 参考电压实现在波形幅度的控制，D D/A A 输出的波形经过放大 后输出。输出的三相正弦波有利于观察。1.2 设计要求关于此次三相正弦波的设计有两种任务要求， 基本要求为输出的 电压在 0-5V0-5V 之间可调。输出的信号频率为 50Hz50Hz。正弦失真度在+/-+/- 5%5%之间。而提高要求为输出三相方波，并且三相波要可调频可调相。本组要完成的任务是简化版，故任务要求是输出频率为50Hz50Hz 的三相正弦波即可。二、方案设计2.1 概论设计首先先完成单相正弦波的代码，实现单相正弦波波形的输出，然 后绘制电路图，此时的电路图是不能调频调相的。然后进行分频操作， 将两个 addladd

4、l 地址叠加，然后输出的三个 ROMROM 里读出数据即为存入 的正弦波序列。2.2 各子系统模块此次的三相波设计共涉及到四个子系统模块，分别是单相波的设 计、正弦波形的设计、三相波的叠加、分频设计、引脚标注等。2.3 使用器件说明三相正弦波发生器元器件清单序号元器件名称及型号备注1DAC0832需要 o 丨2运放 OP07Im324 也可以，需要 3个3LMC7660产生负电源4空心电源插座（5mm 直径）作品电源接口5有源晶振（6MHz）可以直接使用 FPGA 自带6相关元器件芯片插座安插相关芯片7印制板、烙铁、导线、焊锡等电子工艺实习应用8EP2C8T144C8 开发板下载应用9多路直流

5、稳压电源正负开关线性可调稳压模块正负 +-12V 5V 3.3V米用多路输出的电源开关表 2.1三、详细设计3.1 设计原理系统由单片机控制模块、FPGAFPGA 波形产生模块、数模转换模块、滤波输出模块、触摸屏输入和液晶显示模块组成，单片机控制FPGAFPGA产生输入频率和相位差的三相正弦波，经过 D D/A A 转换后滤波输出， 三相波形的幅度也由单片机通过改变 D D/A A 的参考电压控制基于 FPGAFPGA 的三相正弦波发生器，是由地址发生器完成信号的输 入，存入 ROMROM 中，经过数模转化软件即可得到合适的模型曲线。 总体框图：图 3.13.13.2 正弦波设计正弦波的数据需

6、要转换为* *. mifmif 文件后存放到 ROMROM 中，mifmif 文 件有固定格式规定了每个字的位宽 WIDTHWIDTH、总字数 DEPTHDEPTH 地址进 制基数 ADDR-ESS_RADIXADDR-ESS_RADIX 和数据进制基数DATA_RADIXDATA_RADIX 在 MatlabMatlab 环境中编程计算出正弦波数据，然后生成 mifmif 文件。EP2C8T144C8EP2C8T144C8 拥有较充裕的存储空间。因此，设计中为了提高 精度在 ROMROM 中存放256256 个正弦数据，频率控制字、相位控制字由单 片机控制产生，经过相位累加器组成地址发生器，

7、产生的地址连到 ROMROM 的地址线上进行查表得到波形数据。详见附录代码-Verilog-S401-Verilog-S401 和 S402.S402.单项正弦波的实现图 3.23.23.3 三相波叠加为实现上述要求的三相正弦波，可采用问题分解的方法、逐个分 析问题。三相波的叠加图 3.33.3对于图中的 ROMROM 可以利用 QuartusQuartus 2 2 的 LPMLPM 功能，定制一个 8bit8bit 数据宽度，12128 8字节深度的 ROMROM：先完成单相正弦波的代码，实现单相正弦波波形的输出，然后绘 制电路图，此时的电路图是不能调频调相的。然后进行分频操作，将 两个 a

8、ddladdl 地址叠加，然后输出的三个 ROMROM 里读出数据即为存入的正弦波序列3.4 分频设计为了对波形频率精确控制，不同频率段需要不同的输入频率。 项 目设计中采用选择的引脚为 P17P17 口为 5050 MHzMHz 外部有源晶振。根据题 目的要求，输出的三相正弦波要求为 50Hz50Hz，因此要在输入端与正弦 波发生器之间添加一个分频器，使得其频率降低。其分频代码见附录-Verilog-S404.-Verilog-S404.3.5 引脚锁定1 1、输入引脚PIN 17|图 3.43.4P17P17 口主板器件名为 50MHz50MHz2 2、三相波的输出图 3.53.5图 3.

9、73.7四、测试及使用说明4.1 测试步骤本次电子设计的目的是实现三项正弦波发生器，即可输出三相波即可。由于在课程设计时已经确定其输出的频率 50Hz50Hz （输入口 cpcp 为 50MHz50MHz 的 P17P17 口，且设置一个分频器使其输出为 50Hz50Hz），而且三项 正弦波已设置完全，故本题不需进行数据输入。主要测试步骤：1 1、 电源部分进行连线2 2、 插入电源，通电3 3、 输出端连线到示波器上4 4、 将文件下载到电路板上5 5、 运行，观察示波器4.2 实验结果本题的目的是实现三项正弦波的输出，故分步进行先完成单相波，接着是双相波，最后为三相波。1.1.仿真波形：2

10、 2两相正弦波图 4.24.23.3.三项正弦波图 4.3五、结论本项目以低功耗、操作方便、结构合理、易于调试为主要设计原则，以求解出三相正弦波发生器，在系统设计过程中，力求硬件线路 简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，并最大限度挖掘FPGAFPGA 片内资源，来满足系统要求。利用硬件描述语言 VHDLVHDL 编程 QuartusQuartus IIII 软件环境下进行了编译及仿真测试，在 FPGAFPGA 芯片上设计了函数发生器，产生正弦波，系统的频率分辨率高，频率切换速度比较快，设计缩短了开发研制周期， 提高了设计效率，而且使系统具有结构紧凑、设计灵活、实现简单、 性能稳定的特点。本设

11、计的重点与难点在于实物图的设计与制作，更深层次的则在于早期 PCBPCB 版的设计，以及后期的钻孔、连线、焊接等。这些操作 影响到最终的成果展示。我们小组也在最终的PCBPCB 版的制作上出现了麻烦。六、实习总结1 1在这次电子技术课程设计实习中，我们组完成的课题是：三相正弦波发生 器（简化版）。这次实习将我们学习的数电，电分的专业知识运用到实际生产 中，由于未接触过模电，因此我们组的实习要求有所降低，难度也小多了, 但我们的努力可一点都没少。在实习中，我们掌握了对 AltiumAltium DesignerDesigner 等软件的使用，又重新熟悉 了对对数电建模软件 QuartusQuar

12、tus IIII 的应用。在这个课程设计实习中，我们将以 前许多在课本上学习到的专业的理论知识应用到实际操作上。整个实习过 程是相当愉快的，但是仍旧出现了不少的问题，这说明我们依然欠缺某些 必要的知识，而这些知识实在课堂上没有学到的，只有在课后自己积累。 这也突出了我们自主学习的能力。在亲自动手制作的时候，我们知道了理论 联系实际的重要性，而焊接练习则是最好的证明。虽然我们知道许多关于 焊接的理论知识，但却无法得到合格的焊点，只有通过不断练习来弥补。在课程设计过程中，我们发现错误，改正并领悟。最终在大家的努力下最 终完成了任务。通过这次实习，我们不仅培养了独立思考、亲自动手操作的能力，而且 还

13、提高了许多其他能力，比如团队协作能力等要想圆满地完成一项任务除 了需要扎实的专业知识之外，还需要小组成员的通力合作。总之，这次实习，我受益匪浅。2 2、在电子技术课程设计实习中，我们组的课题是：三相正弦波发生器。由于计 算机系未学习过模电，所以在实际设计中我们遇到了很多问题。老师很体 贴的为我们降低了难度，但是这次实习我们的努力可一点都没少。实习的目 的是将数电，模电的专业知识运用到实际生产中，加深对这些方面的理解, 加强成员的动手能力等，这些方面我们都获得了提高。首先，我们掌握了对 AltiumAltium DesignerDesigner 等软件的使用，又重新熟悉了 对数电建模软件 Qua

14、rtusQuartus IIII 的应用。实习结束时，我们都也已可以熟练 的使用这些元件完成我们所要实现的功能。常言道“绝知此事要躬行”， 在实习中温习了一部分数电的知识，并掌握了很多以前忽略的数电知识。 为了完成实习，我们也自学了模电的一些基础知识。实习最重要的是加强 了我们的动手能力，也加强了我们的小组合作的默契。总之，通过这次实习，培养了我们的独立思考、亲自动手操作的能力， 并还提咼了如团队协作能力等其他能力。我有很大的收获。3 3、在完成了焊接练习之后，我们就进入了第二个实习一一电子课程设计实习， 我们组的选题是三相正弦波发生器，就是实现三相正弦波的发生。在电子课程 设计过程中，我们主

15、要运用到的是数电，模电以及电路分析的知识，要用到的 主要软件是 QuartusQuartus I I和 AltiumAltium DesignerDesigner在一开始的时候，我们主要用到的是数电的知识，虽说有些部分有一点遗 忘，对QuartusQuartus I I 的操作也有一些生疏，但是经过复习我们还是顺利地完成了编 程，原理图绘制以及仿真，这一部分进行得还是比较顺利的，没有遇到太多的 问题。但是之后我们在输出正弦波的时候遇到了问题，输出的波形不是标准的 三相正弦波，在询问老师之后，才得知是因为没有分频，所以导致了输出时出 错，完善原理图之后就能征确输出了。下一部分就是用 ADAD 软

16、件来完成 PCBPCB 板的设计，这一部分原理图的设计对 我们来说难度是比较大的，但是在大家的共同努力之下，这部分工作也得以圆 满完成。在实现这一步之后就是布线，虽然布线的工作有一些复杂繁琐，我们 在这一过程中也遇到了一些问题，但最终也是被我们解决了。最后就是用至及 前焊接的内容进行焊接，做出实物成品。在本次实习过程中，我有很多的感悟。首先我们要更力 0 0 重视知识的运用， 学会用所学的内容去解决实际问题，而并不是一味地填充，去死记硬背。同时 我们要时常复习之前所学的内容，正所谓温故而知新，通过本次实习让我对 QuartusQuartus I I 的使用更加熟练。除此之夕卜就是要多向他人请教，我们在学习工作中 会遇到很多的问题，不要积攒问题，要及时解决。最后就是重视团队合作，重 视集体的力量，分工合作往往会达到事半功倍的效果。附件电路原理图附图 1附图 2PCBPCB 版图IJ*附图3 3Verilog 代码1、module s401(cp,q);in put cp;output 7:0q;reg 7:0 q=0;always (posedge cp)begi nif(q =8d255)q =8b0000_0000;else q=q+1;enden dmodule