EDA技术及应用设计报课程设计-基于FPGA的正弦函数发生器的实现.doc

宜兴工程学院，宜兴工程学院， 电气与电子信息工程学院电气与电子信息工程学院 EDAEDA 技术及应用技术及应用 设计报告设计报告 名名 称：称： 基于基于 FPGAFPGA 的正弦函数发生器的实现的正弦函数发生器的实现 （100KHZ-200KHZ,100KHZ-200KHZ,步进为步进为 1KHZ1KHZ） 专业名称：专业名称： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级：级： 1111 级电气（级电气（1 1）班）班 学学 号：号： 20114022012011402201 姓姓 名：名： 同同 组组 人：人： 指导教师：指导教师： 设计时间：设计时间： 2014 年 9 月 15 日9 月 26 日 设计地点：设计地点： 3 3 号楼号楼 404404 教室教室 任务书任务书 设计题目：基于 FPGA 的正弦函数发生器的实现（100KHZ-200KHZ，步进为 1KHZ）教学院：电气学院 专业班级：电气工程及其自动化（1）班 学生姓名： 学号： 2011402201 指导教师： 邓彬伟 1主要内容 1.利用 EDA 开发系统、Quartus II 软件实现数字信号发生器的设计； 2.根据整体电路的工作原理，完成各个子模块的设计及实现； 3.该数字信号发生器能够产生余弦信号； 4.产生的波形信号频率可通过按键进行调节，调节频率在 100KHZ-200KHZ，步 进为 1KHZ。 2基本要求 设计报告：不少于 5000 字，幅面，统一复印封面。 封面、设计任务书 目录 1）系统设计原理说明及实现方案论证；（综述、任务详解及设计思路等） 2）系统硬件设计； 3）系统软件设计； 4）系统调试；（调试步骤、方法及调试过程中的问题及如何解决等） 5）结果分析及展望；（最后的结果成功点和不足之处、总结及改进等） 附录-参考文献 3进度安排 设计各阶段名称起 止 日 期 1查阅 DDS 原理相关资料2014.9.15 - 2014.9.16 2讲解 DDS 原理，verilog 程序语言等2014.9.17 - 2014.9.18 3锁存器原理与数码显示程序的讲解2014.9.19 - 2014.9.22 4硬件与软件设计，程序调试，撰写报告2014.9.23 - 2014.9.24 5完善报告，答辩2014.9.25 - 2014.9.26 4、设计考核办法与成绩评定 根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩按得分 0100 分，可分为优、良、中、 及格、不及格五等。 评定项目 基本内涵分值 设计考勤 考勤、自行设计、按进度完成任务等情况10 设计调试 软硬件调试过程及完成情况50 设计答辩 回答问题等情况10 设计报告 完成情况、报告规范性、创新性、雷同率等情况30 90100 分：优；8089 分：良；7079 分：中；6069 分，及格；60 分以下：不及 格 5主要参考文献 1谭会生，张昌凡等. EDA 技术及应用（第二版M）. 西安：西安电子科技大学出版社， 2004. 2李国丽，朱维勇，栾铭.EDA 与数字系统设计M.北京：机械工业出版社，2004.1.4-10. 3薛文.DDS 任意波形发生器的设计与实现D:硕士学位论文.南京.南京理工大学,2004 4高琴,姜寿山,魏忠义.基于 FPGA 的 DDS 信号源设计与实现J.西安工程科技学院学报, 2006. 7杨丽,李镇,孙厚军.基于 FPGA 的多波形信号发生器J.无线电工程,2005,35(7)：46-48. 8洪嘉,彭启琮,基于 FPGA 的数字中频信号发生器硬件设计J.信息技术,2005. 9杜培明.基于 FPGA 动态信号产生器设计J.现代电子技术,2006. 10莫小灵.正弦信号发生器的 FPGA 实现J.新余高专学报,2006. 11Sergio Franco. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits. 西安： 西安交通大学出版社,2004. 教研室主任：教研室主任： 胡学芝胡学芝 2014 年年 9 月月 1 日日 - 1 - 目录目录 摘要.2 1 设计原理及要求 .3 2 设计论证方案 .4 方案一.4 方案二.4 方案三.4 方案确定 .5 3 硬件部分.5 输入部分 .5 4 软件部分.5 余弦波数据获取 .6 输出波形频率.6 5 系统调试 .7 仿真结果 .7 仿真结果分析 .7 结果展望.7 总结.8 主要参考文献.9 附录.10 - 2 - 基于基于 FPGAFPGA 的正弦函数发生器的实现的正弦函数发生器的实现 (100KHZ-200KHZ(100KHZ-200KHZ，步进位，步进位 1KHZ1KHZ ) ) 摘要摘要 信号发生器是一种常用的信号源，和示波器、电压表、频率计等仪器一样 是最普遍、最基本也是应用最广泛的的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量 都要用到波形发生器。不论是在生产还是在科研与教学上，波形发生器都是电 子工程师信号仿真试验的最佳工具。随着现代电子技术的飞速发展，现代电子 测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方 波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好， 输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频 率转换时输出波形相位连续等。而传统波形发生器采用专用芯片，成本高，控 制方式不灵活，已经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞 台。可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场要求，研究制作高性能的任 意波形发生器十分有必要，而且意义重大。 本文所设计的内容就是基于 Altera 公司的现场可编程门阵列（FPGA）实现 数字信号发生器的设计，FPGA 具有密度高，功耗低，体积小，可靠性高等特点， 设计时可以不必过多考虑具体硬件连接。 采用 FPGA 现场可编程门阵列为控制核心，通过硬件描述语言 Verilog 编程， 在 QuartusII 仿真平台上编译、仿真、调试 ，并下载到 FPGA 芯片上，通过严 格的测试后，能够较准确地测量余弦信号的频率，而且还能对其他多种物理量 进行测量和调节，使输出余弦波形的变化频率在 100KHZ200KHZ，步进为 1KHZ。 关键词：硬件描述语言. 现场可编程门阵列, 频率计, 频率测量 - 3 - 1.1.系统设计原理及要求系统设计原理及要求 该数字信号发生器系统主要由输入部分、FPGA 部分、频率调节和波形仿真 部分组成。如图 1.1 所示。 图 1.1 数字信号发生器系统组成 本设计中利用 Verilog 编程，依据基本数字电路模块原理进行整合。系统各 部分所需工作时钟信号由输入系统时钟信号经分频得到，系统时钟输入端应满 足输入脉冲信号的要求。具备频率可调功能，频率通过两个按键可以增减调节。 主要通过 VerilogL 语言实现频率控制、波形控制、 波形数据的提取、 波 形的产生工作。其中 ,波形数据运用 Verilog 语言编写 。控制部分主要采用产 生高低电平的拨码开关控制。程序下载到 FPGA 上实现 ,通过 Altera 公司 QuartusII 软件进行波形的仿真，从而完成整个设计。 本设计的任务是设计一个基于 FPGA 的数字信号发生器，根据设计达到以下 要求： 1.利用 EDA 开发系统、Quartus II 软件实现数字信号发生器的设计； 时钟 分频器 复位 波形 调频 系 统 控 制 器 余弦波仿真 - 4 - 2.根据整体电路的工作原理，完成各个子模块的设计及实现； 3.该数字信号发生器能够产生余弦信号； 4.产生的波形信号频率可通过按键进行调节，调节频率在 100KHZ-200KHZ，步 进为 1KHZ。 2.2.设计方案论证设计方案论证 方案一方案一 采用 DDS（直接数字频率合成器）来设计，设计总体框图如图 2 所示。在 设计界里众所周知，DDS 器件采用高速数字电路和高速 D/A 转换技术，具有频 率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出信号频率和相位可快速程 控切换等优点，所以，我们可以利用 DDS 具有很好的相位控制和幅度控制功能， 另外其数据采样功能也是极具精确和完善的，它可以产生较为精确的任何有规 则波形信号，可以实现对信号进行全数字式调制。用 FPGA 和 DDS 实现信号调 制，既克服了传统的方法实现带来的缺点，若采用它来编程设计，必定会事半 功倍，且使设计趋于理想状态。但鉴于 DDS 的占用 ROM 空间较大，我们设计 时就必须考虑到所用期间的 ROM 空间是否够用，结合我选用的 Cyclone II 系 列的 EP2CE6F17C8 器件所提供的的存储单元。应该可以满足本次设计的需要。 方案二方案二 采用震荡器频率合成方案。具体方案如下：首先通过频率合成技术产生所 需要频率的方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就 可以得到正弦波。其优点是工作频率可望做得很高，也可以达到很高的频率分 辨率；缺点是使用的滤波器要求通带可变，实现很难，高低频率比不可能做得 很高。 方案三方案三 采用 Verilog 语言来编程，然后下载文件到 FPGA 来实现。VHDL 语言是 电子设计领域的主流硬件描述语言,具有很强的电路描述和建模能力，能从多个 层次对数字系统进行建模和描述，从而大大降低了硬件设计任务，提高了设计 效率和可靠性,要比模拟电路快得多。该方案是利用 FPGA 具有的静态可重复编 - 5 - 程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改， 极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性，而且大大缩短了系统的开发周 期。 方案确定：方案确定： 由上述三个方案对比，采用第一种方案： 因为 DDS 频率合成器具有以下优点： (1)频率分辨率高，输出频点多，可达 2N 个频点(假设 DDS 相位累加器的字长 是 N)；(2)频率切换速度快，可达 US 量级；(3)频率切换时相位连续；(4)可以输 出宽带正交信号；(5)输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用； (6)可以产生任意波形；(7)全数字化实现，偏于集成，体积小，重量轻。 使用直接数字信号合成技术（DDS） ，将三种波形的数据存储在 FPGA 配置 的 ROM 中，通过 Altera 公司 QuartusII 软件进行波形的仿真，从而完成整个 设计。这种方法在软、硬件电路设计上都简单，且与我们的设计思路紧密结合。 3.硬件部分硬件部分 本设计使用的 FPGA 芯片为 EP3CE6F17C8 芯片，通常情况下在硬件调试的过 程中一般使用下载电缆进行下载，而当调试完成以后要用配置芯片对 FPGA 进行 配置。配置芯片在每次系统上电以后自动将配置文件加载到 FPGA 中形成电路。 输入部分输入部分 输入部分包含以下功能按键：时钟、复位、波形、调频。 1时钟：标准的 50MHZ 时钟输入。 2复位：低电平复位。 3波形：为波形输出选择开关，可以选择单波形的输出。 4调频：可以递增和递减仿真余弦波的频率。 - 6 - 4.4.软件部分软件部分 本次设计的软件部分主要运用 Altera 公司的 Quartus软件平台，其开发 流程基本分成 2 个步骤： 1.设计输入 Quartus软件的设计文件可以来自 Quartus5.1 设计输入工 具或各种工业标准的 EDA 设计输入工具 Quartus强大的集成功能允许信息在 各种应用程序间自由交流，设计者可在一个工程内直接从某个设计文件转换到 其他任何设计文件，而不必理会设计文件是图形格式、文本格式，还是波形格 式。Quartus具有如下的多种设计输入方法:原理图输入与符号编辑、硬件描 述语言、波形设计输入、平面图编辑以及层次设计输入。如此众多的设计方法 帮助设计者轻松地完成设计输入。 2.项目处理 Quartus处理一个设计时，软件编译器读取设计文件信息， 产生用于器件编程、仿真、定时分析的输出文件。消息处理器可以自动定位编 译过程中发现的错误，编译器还可以优化设计文件。项目处理包括以下基本步 骤: (1)消息处理器自动定位错误； (2)逻辑综合与试配； (3)定时驱动编译； (4)设计规则检查； (5)多器件划分。 余弦波数据获取余弦波数据获取 通过 MATLAB 程序获取波形数据，将以上数据保存到 Quartus 的存储器 出事话文件当中，就可用 Quartuse 的宏模块定制向导 MegaWizard Pule_IN 通 过简单的几部操作定制一个 ROM 来保存余弦波数据。 输出波形频率输出波形频率 由于采用DDS，在ROM中存有波形一个周期的n个等间隔归一化采样数据， 改变相位累加器步进，从而改变对ROM中数据的读取速度，即可合成不同频率 波形，存储器中存入过量的采样值，使得采样点数较少时，依然能够得到较好 波形输出，从而得到较高频率输出。否则，采样点数太少会使产生波形严重失 - 7 - 真。输出波形频率计算: 0 2 oscf fs nk 式中是晶振频率oscf K 分频系数 N 相位累加器位数 a S 相位累加器步长 5.5.系统调试系统调试 将 FPGA 内部的完整设计（地址译码器、编码式键盘接口、LCD 接口、 DDS 子系统）通过 USB-Blaster 下载电缆下载到 FPGA 之中。单片机子系统通 过适配器与 PC 机相连。 波形仿真波形仿真： 仿真波形如下图5.1所示，数码管显示频率部分见附录 图 5.1 输出余弦仿真波形 仿真结果分析仿真结果分析： 如图所示相位累加模块对输入的频率控制字累加并寄存，调节频率控制字 - 8 - 便可调节输出频率的大小，实现频率的调节。上图可以验证方案设计的正确性， 基本实现了所要求的功能。 结果展望：结果展望： 本次设计只是实现了频率可调的余弦波的输出，并没有完成方波，余弦波， 三角波多路可切换的幅度、频率可调的信号发生器。并且在最初的设计中有数 码管显示频率这一部分的功能，但在完成设计的过程中，由于自身知识积累的 缺乏，这一部分是在老师的最终帮助下完成的。希望在后续的学习当中，进一 步学习有关 FPGA 开发板和 VERILOG 语言，能够实现上述所说的各种功能。 总结总结 在这次设计过程中，因为出现的种种问题和表现出来的种种不足，让我深 深的感觉到自己所学知识实在是沧海一粟，索要弥补的差距还有很多方面。面 对电子技术日新月异的发展，利用 EDA 手段进行设计已经成为一种趋势。利用 EDA 设计软件辅助设计，方便快捷，能够减少了错误率的产生，缩短了产品的 设计及上市周期，既减轻了设计工作量又满足了商业利益的需求。 此次设计的系统以 FPGA 为核心部件，可利用软件编程实现了对 D/A 转换 信号的处理。努力做到了线路简单、高性价比的特点，充分利用了软件编程， 弥补了硬件元器件的不足。 在设计过程当中，有各种知识性的错误，遇到了软件安装失败，操作不熟 练，程序编写不规范等诸多问题，通过对各种问题的解决,对应用软件的主要功 能能够做到熟练操作，需要规范操作的地方必须严格按照使用说明操作，避免 由于软件使用不当造成的错误产生。程序的编写格式必须规范，模块、端口以 及信号变量的命名应当反映实际意义，缩进格式工整明了，方便阅读理解，这 样有利于程序的编写，有利于分析调试，也有利于程序的重复使用。 此次系统的设计已经完成，在这次设计过程中有许多以前没有涉猎 过得知 识范围，通过有针对性地查找资料，咨询老师，逐渐的加以理解和应用，提高 自己的应用能力，同时了解到了新的专业知识，学会了一些编程方面的常用算 - 9 - 法，开阔了眼界。作为一名电气工程及其自动化专业的本科生，我将会继续电 气专业的这个方向上不断钻研、开拓进取。相信通过此次设计的锻炼，我对专 业知识和技能的掌握将更加牢靠，在今后的工作和学习中，必将使我受益匪浅， 取得应有的成绩。 同时在这里感谢邓彬伟老师的耐心指导，在这次设计期间，碰到许多专业方 面的难题，邓老师都一一帮我解答，特别在教学繁忙的情况下，还为我们提供 了许多宝贵的资料和意见，并帮我们作出了详细的分析，使我们更加顺利地完 成此次设计。通过这两个周的时间，使我学到许多知识，明白了许多以前上课 时无法理解的知识，还积累了一些较简单的问题解决方案。与此同时也感谢同 组做课题设计的同学，在设计过程中，有许多东西我不懂，他们都耐心地给我 讲解，给予我技术支援，帮助我解决了不少难题。另外由于我知识方面的缺乏， 设计还存在诸多方面的缺陷，希望能在以后的学习中进一步改进。 主要参考文献主要参考文献 1谭会生，张昌凡等. EDA 技术及应用（第二版M）. 西安：西安电子科技 大学出版社，2004. 2李国丽，朱维勇，栾铭.EDA 与数字系统设计M.北京：机械工业出版社， 2004.1.4-10. 3薛文.DDS 任意波形发生器的设计