基于VHDL语言的波形发生器的设计

基于VHDL语言的波形发生器的设计基于VHDL语言的波形发生器的设计利用FPGA芯片信号发生器的设计。当按下开关1时产生三角波，当按下开关2时产生正弦波，当按下开关3时产生方波。本次设计采用xilinx公司的ISE设计工具，在zedboard开发板中的xc7z020芯片上用VHDL来实现，并且利用ISE自带的chipscop完成对FPGA内部的信号的读取。这样的设计具有体积小，修改升级容易等特点。本设计采用自顶向下、纯文本实现数字时钟的设计、下载和调试。1 设计原理本设计由信号产生，信号选择，信号控制输出三大模块组合而成。其中信号产生模块有：三角波模块、方波模块、正弦波模块。本设计采用K0K2这三个按键为信号选择开关，选择信号产生模块输出的信号。（顶层设计的例化语句见附录一）其RTL图1-1: RTL图1-12主要功能模块u1:square方波产生模块；u2:sin正弦波产生模块；u3:delta三角波产生模块；u4:sig_control数据选择器模块；u5,u6:为使用chipscope所需生成的IP核。2.1 u1方波产生模块（程序见附录二） 产生方波，初始化为幅值225的高电平，每有一次时钟上升沿触发产生一次计数，当计数值达到128时跳到为0的低电平。利用循环语句不断的产生高低电平的方波输出。原理如图2-1：方波模块RTL 图2-12.2 u1正弦波产生模块（程序见附录三） 功能是产生正弦波，产用信号抽样的原理，在一个正弦信号中等间隔的抽样64点，此64点的幅值作为一个正弦波数据表，每有一次时钟上升沿触发便赋予输出端q一个点的数据，依次赋值64个点的数据便完成一个周期的正弦波的输出。并利用循环语句不断的产生正弦波的输出。原理如图2-2：正弦波模块RTL 图2-22.3 u1三角波产生模块（程序见附录四） 功能是产生三角波，初始化为幅值为0，每有一次时钟上升沿触发便进行幅值加1，当幅值达到最大255时，每有一次时钟上升沿触发便进行幅值减1，当幅值减为0时完成一个周期的输出。利用循环语句不断的产生幅值为255的波形的输出。原理图如下：三角波模块RTL 图2-32.3 u4数据选择器模块（见附录五）利用数据选择器模块可以对三角波，正弦波，方波进行三选一得输出。当开关d0拨通，d1,d2均闭合时q端输出的是三角波；当开关d1拨通，d0,d2均闭合时q端输出的是方波；当开关d2拨通，d0,d1均闭合时q端输出的是正弦波；数据选择器模块RTL 图2-43 硬件测试 当程序下载到硬件之后，采用chipscope实现对FPGA内部信号的在线调试。在FPGA已经下载程序的情况下，添加我们关心的信号或者接口，将选定了端口Chipscope（不妨理解为一个嵌入的系统）加入到程序后重新布局布线下载到FPGA中，此时我们就可以观察信号和接口的值了。 在对ip核的设置中设置chipscope每次对信号的抓取为2048个。3.1 对三角波的抓取 当选择信号K0置1，K1、K2置0时，信号发生器输出波形为三角波，如图3-1-1所示： Chipscope抓三角波波形 图3-1-1利用chipscope的导出功能，得到具体的数据表。如图3-1-2所示：Chipscope对三角波形的导出 图3-1-2 3.2 对方波的抓取当选择信号K1置1，K0、K2置0时，信号发生器输出波形为方波，如图3-2-1所示：Chipscope抓方波波形 图3-2-1利用chipscope的导出功能，得到具体的数据表。如图3-2-2所示：Chipscope对方波形的导出 图3-2-2 3.3 对正弦波的抓取当选择信号K2置1，K0、K1置0时，信号发生器输出波形为正弦波，如图3-3-1所示：Chipscope抓正弦波形 图3-3-1利用chipscope的导出功能，得到具体的数据表。如图3-3-2所示：Chipscope对正弦波形的导出 图3-3-24 利用MATLAB实现直观的观测数据因为利用chipscope所导出的数据是一个一个的数组，所以无法对波形实现直观的观察。为了方便观察实验数据，利用MATLAB软件实现对文本文件中的数据的读。导出的每行数据可看做一个数组，每个数组第11位是波形的数据位，因此利用MATLAB只读第11列的数据。利用MATLAB画波形时，横轴作为波形的时间轴，每间隔为1打一个点，纵轴作为波形的幅值，用polt输出将这些点链接起来，就可以直观的观测波形。方波的MATLAB程序如下：clc,cleardata=textread(F:ISE Designwave_generate实验数据DELTA.txt);%采集路径th=data(:,11);%数组全部采集，采集第11位a=th;%转置t=0:2047;%点的个数subplot(311)plot(t,a); 利用grid on，和subplot语句可以实现把三个波形画在一起(MATLAB全部程序见附录六），画好后波形如图4-1：MATLAB画出波形 图4-15有待改进 程序中的频率和幅值都是固定的，未能实现频率和幅值的可调节，因此就没有广泛的实用性，进一步的研究应从波形发生器向信号发生器改变。附录一顶层设计例化语句LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; entity sig isPORT(clk,clrn : IN STD_LOGIC; fb,sjb,zxb:IN STD_LOGIC; ou:INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);end sig;architecture Behavioral of sig isCOMPONENT sinPORT ( clk,clrn : IN STD_LOGIC; q : INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END COMPONENT; COMPONENT squarePORT ( clk,clrn : IN STD_LOGIC; q : INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END COMPONENT; COMPONENT deltaPORT ( clk,clrn : IN STD_LOGIC; q : INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END COMPONENT; COMPONENT sig_control PORT(delta,square,sin :IN STD_LOGIC; d0,d1,d2 :IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); END COMPONENT; component ila PORT ( CONTROL : INOUT STD_LOGIC_VECTOR(35 DOWNTO 0); CLK : IN STD_LOGIC; TRIG0 : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);end component;component icon PORT ( CONTROL0 : INOUT STD_LOGIC_VECTOR(35 DOWNTO 0);end component; signal CONTROL : STD_LOGIC_VECTOR(35 DOWNTO 0);signal TRIG0 : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);signal a:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);signal b:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);signal c:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);beginu1: square PORT MAP(clk=clk ,clrn=clrn,q=a);u2: sin PORT MAP(clk=clk ,clrn=clrn,q=b);u3: delta PORT MAP(clk=clk ,clrn=clrn,q=c);u4: sig_control PORT MAP(delta=sjb ,square=fb,sin=zxb,d0=a ,d1=b,d2=c,q=ou);u5: ila PORT MAP (CONTROL,clk,ou);u6: icon port map (CONTROL);end Behavioral;附录二u1方波产生模块程序LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY square IS PORT(clk,clrn: IN STD_LOGIC; q: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); END square; ARCHITECTURE a OF square IS SIGNAL f: STD_LOGIC;BEGIN PROCESS(clk, clrn) VARIABLE tmp:STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); BEGIN IF clrn=0 THEN tmp:=; ELSE IF clkevent and clk=1 THEN -上升沿触发 IF tmp= THEN tmp:=; -计数为256时置零 ELSE tmp:=tmp+1; END IF; IF tmp THEN f=1; - 当计数小于128时，f为1 ELSE f=0; -否则f为0 END IF; END IF; END IF; END PROCESS; PROCESS(clk,f) BEGIN IF clkevent and clk=1 THEN IF f=1 THEN q=; -f为1时q为255 ELSE q=; -f为0时q为0 END IF; END IF; END PROCESS;END a;附录三u2:sin正弦波产生模块程序LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY sin IS PORT (clk,clrn:IN STD_LOGIC; q:INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); END sin; ARCHITECTURE A OF sin IS BEGIN PROCESS(clk,clrn) VARIABLE tmp:INTEGER RANGE 63 DOWNTO 0; -对一个周期的正弦波采用64个点BEGIN IF clrn=0 THEN qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqNULL; END CASE; END IF; END IF; END PROCESS; END A; 附录四 u3:三角波产生模块程序LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; -预先定义的操作符可以进行重载ENTITY delta IS port(clk,clrn:IN STD_LOGIC; q:INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END delta; ARCHITECTURE a OF delta IS BEGIN PROCESS(clk,clrn) VARIABLE tmp:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); VARIABLE f:STD_LOGIC; BEGIN IF clrn=0 THEN tmp:=; ELSIF clkEVENT AND clk=1 THEN IF f=0 THEN - 三角波的上升，到255时跳到f1 IF tmp= THEN tmp:=; f:=1; ELSE tmp:=tmp+1; END IF; ELSE -三角波的下降，到0时跳到f0 IF tmp = THEN tmp:=; f:=0; ELSE tmp:=tmp-1; END IF; END IF; END IF; q=tmp; END PROCESS;END a; 附录五 u4:数据选择器模块程序LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY sig_control IS PORT( delta,square,sin :IN STD_LOGIC; d0,d1,d2:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); END sig_control; ARCHITECTURE behave OF sig_control IS SIGNAL sel:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0); BEGIN selqqqNULL; END CASE; END PROCESS; END behave; 附录六利用MATLAB画波形的程序 clc,cleardata=textread(F:ISE Designwave_generate实验数据DELTA.txt);%采集路径th=data(:,11);%数组全部采集，采集第11位a=th;%转置t=0:2047;%点的个数subplo