以FPGA芯片為載體設(shè)計一個多功能信號發(fā)生器

信號發(fā)生器又稱為波形發(fā)生器， 是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、通信、控制和教學(xué)實(shí)驗等領(lǐng)域。它是科研及工程實(shí)踐中最重要的儀器之一， 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。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信號發(fā)生器的設(shè)計制作越來越多的是用計算機(jī)技術(shù)，種類繁多，價格、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)計的流程簡單。用FPGA 所構(gòu)成的系統(tǒng)來產(chǎn)生波形信號，這個系統(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， 又方便程序的編寫， 而且還有A/D0809接口可以產(chǎn)生模擬信號的輸出和外面的示波器相連。

1 正弦信號發(fā)生器的LPM 定制

正弦信號發(fā)生器由計數(shù)器或地址發(fā)生器（6 位）、正弦信號數(shù)據(jù)ROM （6 位地址線，8 位數(shù)據(jù)線， 含有64 個8 位數(shù)據(jù)， 一個周期）、原理圖頂層設(shè)計和8 位D/A （ 實(shí)驗中用DAC0832 代替）。

其框圖如圖1 所示。其中信號產(chǎn)生模塊將產(chǎn)生所需的各種信號，這些信號的產(chǎn)生可以有多種方式，如用計數(shù)器直接產(chǎn)生信號輸出，或者用計數(shù)器產(chǎn)生存儲器的地址，在存儲器中存放信號輸出的數(shù)據(jù)。信號發(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5 種信號的選擇。

圖1 信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

最后將波形數(shù)據(jù)送入D/A 轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。用示波器測試D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出，可以觀測到5 種信號的輸出。

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Word size 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MIF 文件，其格式如下：

#include

#include "math.h"

main（）

{int i；float s；

for （i=0；i<1024； 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：

romgen > sin_ rom. mif；

1.2 定制LPM 元件

打開Mega Wizard Plug_In Manager 初始對話框， 選擇Create a new custom… 項。單擊Next 按鈕后，選擇Storage 項下的LPM_ROM， 再選擇ACEX1K 器件和VHDL 語言方式；最后輸入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inclock。

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

1.3 完成頂層設(shè)計

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 簡易正弦信號發(fā)生器頂層電路設(shè)計

圖4 當(dāng)前工程仿真波形輸出

對當(dāng)前設(shè)計通過執(zhí)行Quartus II 的命令Create ∠ Update/ Create Symbol Files for Current File，可以為設(shè)計電路建立一個元件符號，以便被頂層設(shè)計多功能信號發(fā)生器所調(diào)用。

2 其他信號部分原程序

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

LIBRARY IEEE；--遞增鋸齒波的設(shè)計

USE IEEE.STD LOGIC 1164.ALL；

USE IEEE.STD LOGIC UNSIGNED.ALL；

ENTITY signal2 IS --遞增鋸齒波signal1

PORT（clk，reset：IN std_logic；--復(fù)位信號reset， 時鐘信號clk

q：OUT std_logic_vector （7 DOWNTO 0））；--輸出信號q

END signal2；

ARCHITECTURE b OF signal2 IS

BEGIN

PROCESS（clk，reset）

VARIABLE tmp：std_logic_vector（7 DOWNTO 0）；

BEGIN

IF reset='0' THEN

tmp：="00000000"；

ELSIT rising_ege（clk）THEN

IF tmp="11111111"THEN

tmp：="00000000"；

ELSE

tmp：=tmp+1； --遞增信號的變化

END IF；

END IF；

q<=tmp：

END PROCESS；

END b；

LIBRARY IEEE；--方波的設(shè)計

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；

entity signal5 is --方波signal5

PORT（clk，reset：in std_logic； --復(fù)位信號reset，時鐘信號clk

q：out std_logic_vector （7 DOWNTO 0））； --輸出信號q，8 位數(shù)字信號

END signal5；

ARCHITEECTURE a OF signal5 IS

SIGNAL； a：std_logic；

BEGIN

PROCESS（clk，reset）

YARIABLE tmp：std_logic_vector（7 downto 0）；

BEQIN

IF reset='0' then

a<='0'；

elsif rising_edge（clk）THEN

IF tmp="11111111" THEN

tmp：="00000000"；

ELSE

tmp：=tmp+1；

END IF；

if tmp<="10000000" then

a<='1'；

else

a<='0'；

END IF；

END IF；

END PROCESS；

PROCESS（clk，a）

BEGIN

IF rising_edge（clk）THEN

IF a='1' THEN

q<="11111111"；

ELSE

q<="00000000"；

END IF；

END IF；

END PROCESS；

END a；

3 頂層電路的設(shè)計

將上述6 個模塊生成符號，供頂層電路調(diào)用。這些模塊分別是：遞減鋸齒波信號產(chǎn)生模塊signall、遞增鋸齒波信號產(chǎn)生模塊signal2、三角波信號產(chǎn)生模塊signal3、階梯波信號產(chǎn)生模塊signal4、方波信號產(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 信號發(fā)生器頂層電路

4 D/A 轉(zhuǎn)換器的連接

選擇一個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6 DAC0832 的連接電路

5 實(shí)現(xiàn)與測試

信號發(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等于5 時的情況進(jìn)行仿真，此時輸出波形是方波，輸出的數(shù)字信號為周期性的全0 或全1。

圖7 信號發(fā)生器頂層電路的仿真波形

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

圖8 階梯波信號產(chǎn)生模塊signal4 的仿真波形

6 結(jié)束語

硬件電路設(shè)計主要是設(shè)計相關(guān)模塊的設(shè)計思想的可視化，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)計方案的具體模塊和整個設(shè)計的原理結(jié)構(gòu)實(shí)圖；程序設(shè)計這一部分主要闡述該設(shè)計的設(shè)計方法與設(shè)計思想，進(jìn)一步從軟件設(shè)計上揭示設(shè)計構(gòu)思，主要包含了整個設(shè)計所用到的模塊的硬件描述語言的設(shè)計， 本文設(shè)計思路清晰，通過QuartusII 軟件進(jìn)行波形仿真成功，特別是正弦信號發(fā)生器的LPM 定制對于編程不是特別強(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)計思想，很好的把握住了教學(xué)的改革方向，更好的鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。