数电综合实验简易函数发生器Word文档格式.docx
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4.熟悉D/A变换电路的设计；
二、任务要求
基本任务：
设计制作一个简易函数发生器。
1.输出波形为方波和三角波，频率范围为1kHZ－2kHZ；
2.频率可进行调节并用数码管显示，加、减步进均为100HZ；
3.输出三角波的峰峰值为4－5V，方波幅度为TTL电平的大小；
提高要求：
1.产生频率范围为1kHZ－2kHZ、峰峰值为4－5V的正弦波信号；
2.产生占空比可调的矩形波或其它波形；
3.自拟其它功能。
三、系统设计
1.设计思路
用VHDL语言结合原理图编辑方式设计实现一个函数信号发生器，输出频率可调方波和三角波，正弦波三种波形。
将波形选择、频率控制与分频、三角波、正弦波、方波发生各个模块分别用VHDL语言编程为一个子程序，并把每一个模块转换成图形文件，然后在原理图编辑框调用这些图形模块。
由于考虑到按键开关工作的不确定性，通过拨码开关模块的SW0到SW3控制频率调节f〔3...0〕，用SW4、SW5控制DELTA、SINE、SQUARE波形选通,最后把八位输出经过并串转换，接到开发板上的DA模块（TLV5638），通过D/A转换，从示波器上就能看到波形输出。
2.总体设计框图
（图一：
系统设计框图）
3.分块设计
本设计共使用了六个模块，分别解释如下：
a）分频模块：
本模块主要功能是输出两个分频时钟clk_m和clk_p，前者用于波形的每一点的并行值输出频率，后者是前者的32倍频，用于并串转换（16bit并行输入转串行输出，并且要输出一个二分频时钟）。
经过多方考虑（受制于DA芯片的最高工作频率），选择波形分辨率为64点（即一个周期取样64次）。
这里输出的1KHz到2KHz的频率（步进100Hz）都是近似的。
frq.vhd文件还包含了数码管输出的功能。
采用高频时钟（50M）扫描cat，输出当前的频率值。
这里不再分析。
b）三角波产生模块：
这个模块输出三角波波形。
每次clk_m上升沿输出一个8bit的数据。
周期分辨率为64点。
c）方波产生模块：
本模块输出占空比可调的方波。
默认占空比为50％。
按键调节占空比，步进增/减幅度为12.5％。
d）选波模块：
本模块根据用户操作拨码开关来选择输出的波形。
默认输出低电平。
e）正弦波产生模块：
本模块输出周期分辨率为64点的正弦波。
用Excel或者Matlab算出二进制8bit的正弦波的取样值，然后采用在程序里查表的方式输出数据。
这要比用程序直接计算正弦波的值快捷和简便得多，虽然损失一定精度，但换回的是程序执行的时间和空间资源。
f）并串转换模块：
本模块将上级输入的8bit并行数据信号转换为串行输出，以供TLV5638进行DA转换。
每次系统重置后（reset按键被按下），系统经过两次状态转换。
state0是一个等待状态，系统等待4个并行周期之后进入state1，这个状态主要用来写TLV5638的控制寄存器。
这里我们将它的参考电平设为2.048V。
接着，系统将把TLV5638的触发信号置成有效电平。
接着系统进入state2，这个状态是系统真正进行并串转换的状态。
在TLV5638自身允许输入的状态下，此进程将设置TLV5638，使其依次使用DAC_A和DAC_B输出数据。
在它自身禁止输入的状态下，进程将TLV5638的触发信号置成无效电平，并不输出。
本模块使用例化TLV5638这一器件，具体并串转换的过程将在TLV5638.vhd中实现。
具体流程如下：
每次外部复位信号（reset_i）或者内部复位信号（reset_int）有效时，系统进行各信号清零复位的工作。
cs_o信号作用是对TLV5638的片选，cs_o的下降沿触发TLV5638的数据写入，cs_o上升沿时TLV5638停止数据写入（数据锁存）。
系统默认状态为IDLE（空闲），不进行任何操作。
当DA工作触发信号（start_i）有效时，系统被触发，进入BUSY（工作）状态。
系统状态为BUSY时，进行一次16bit输入数据的并串转换，使用输入并行数据频率的32倍频，将其二分频后输出给TLV5638作为时钟信号。
输出16bit数据后，系统将cs_o复位（停止数据写入芯片），并且将eoc置位（进行一次各信号清零复位的工作）。
系统输出串行数据时首先输出并行输入数据的高位。
四、程序框图
（图二：
系统操作流程图）
五、总体电路图及管脚信息
（图三：
系统电路图）
（图四：
管脚连接信息）
六、源程序
adjust.vhd:
choose_wave.vhd:
dlt_gen.vhd:
frq:
sin_gen.vhd:
sqr_gen.vhd:
tlv5638.vhd:
七、功能说明及操作步骤
1.功能
该工程实现一个简易函数信号发生器的功能。
系统上电后，默认输出低电平（无波形），默认初始频率为1KHz。
波形输出频率可由开发板上的拨码开关SW0～SW3调节，可调范围为1KHz到2KHz，步进量为100Hz。
波形由开发板上的DAC_A口输出。
共有方波和三角波，正弦波三种波形可供选择，用户只需将开发板上的拨码开关SW6~SW7置成不同取值组合，就可以输出不同波形。
其中方波的占空比可以用开发板上的按键开关BTN0~BTN1调节。
系统重置按键为开发板上的按键开关BT7。
另外，实验验收后我继续加入了锯齿波输出的功能。
用户可以在示波器上看到波形输出。
2.操作步骤
上电后用户首先选择波形，使用SW6~SW7选择，具体对应关系如下：
SW7SW6
输出波形
00
无波形（低电平）
01
占空比可调的方波
10
三角波
11
正弦波
波形选择好后，将示波器探头接入开发板的DAC_A与GND之间，即可在示波器上看到相应的波形。
用户可以通过改变SW0~SW3来改变输出波形的频率，具体对应关系如下：
SW3..SW0
输出频率
0000
1.0KHz
0001
1.1KHz
0010
1.2KHz
……
依次递增
1010
2.0KHz
1011
1100
不变
1111
其中，特别的，在输出方波波形时，用户可以按下BT0/BT1来增/减方波的占空比。
系统重置按键为BTN7。
（图五：
实际波形图以及系统连接示意图）
八、资源利用率
（图六：
宏单元占用情况）
（图七：
系统资源利用情况）
九、仿真波形
1.三角波输出仿真情况（状态不全）
2.方波输出仿真情况
3.正弦波输出仿真情况（状态不全）
4.选波模块输出仿真情况
5.并串转换输出仿真情况
6.分频输出仿真情况（以输出方波为例）
十、元件清单
1．计算机；
2．示波器；
3．直流稳压电源；
4．万用表；
5．EDA开发板及相应元器件。
十一、关键技术、遇到的问题及解决方案的详述
1.正弦波输出问题
解决方案：
采用查数据表的模式，既保证了一定数据的精度，同时也替系统节约了大量资源。
这样输出时不必花费时间计算每点不同的sinx值，只需读取ROM里的数据，节省时间，可以达到实时输出。
2.DA转换问题
加入并串转换模块，该模块使用产生并行数据的时钟频率的32倍频，将每一clk_m周期输入的8bit并行数据经32个clk_p时钟周期输出，一共串行输出16bit数据（包括控制位），同时产生16个clko的脉冲供DA芯片使用。
十二、实验结论及总结
今天写这个结题报告的时候回想起来，自己在最开始学习这门课程时，对VHDL语言的理解就完全错误了。
仅仅认为这是一门计算机语言，而忽视了VHDL的定义：
硬件描述语言。
它讲求的是描述某个硬件功能的准确性和规范性，而我却认为只要程序写出来以后逻辑正确就OK了。
譬如，若是纯粹从逻辑上理解，一个触发器完全可以由一个取值有限的信号循环自加来实现。
但是触发器是一个时序逻辑电路，这样描述的器件只是一个累加器。
要在其外部加入触发条件（clk’eventandclk=’1’），累加器才能够行使触发器的功能。
终于认识到这一点，我对VHDL的许多其他误解也消除了。
在仅仅考虑逻辑的前提下，我很迷惑为什么编程过程中有时会出现这样的情况：
一句语句放在进程前面或者进程后面会有完全不同的效果；
两个进程合并成一个也会使功能改变等等。
这些错误都是由于对硬件电路不敏感、不理解状态机概念造成的。
我也更加赞同那句话：
“不学好模拟电路，无法在数字电路领域有深的理解”。
今后的VHDL编程过程中，我将更加注重描述准确这一要点，要时时留意语句实现的硬件电路的性质，编程时多多结合RTL电路，分析排错。
另外一个很深的感触就是VHDL语言编写实时控制程序很有用。
简易函数发生器这个工程触及到时序控制的地方就是并串转换模块。
比较遗憾的是，自己并没有独立的完成这部分的编程工作。
不过，老实说，学习、借鉴其他人写的并串转换程序，是完成这次实验过程中个人感觉收获最大的一个阶段。
自己在VHDL编程的一些“素养”方面确实不足，通过学习网上的一些资料和论文，我反倒学到了很多时序逻辑电路编程方面的知识。
总之，这次综合实验加深了我对VHDL的理解。
我明白仅仅一学期的数电理论学习是远远不够的，甚至连数字电路设计的门槛都不能踏入，所以日后我还要多学习，多了解，多实践，加深对这一领域的认识。
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