基于FPGA的方波信号发生器.docx
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基于FPGA的方波信号发生器
EDA课程设计实验报告
基于FPGA的方波信号发生器
设计内容：
基于FPGA的方波信号发生器
代课老师：
学号：
姓名：
专业：
电子与通信工程
摘要：
本设计是采用了EDA技术设计的方波信号发生器。
实现是基于FPGA语言描述正弦波基波和多次谐波叠加模块，然后在QuartusⅡ软件上实现波形的编译，仿真和下载到Cyclone芯片上。
整个系统由正弦波产生模块、数码管显示模块、波形频率控制和波形幅度控制四个部分组成。
最后经过QuartusⅡ软件仿真，证明此次设计可以通过多次谐波叠加形成方波，并通过频率控制和幅度控制改变方波波形。
关键字：
VHDL；QuartusⅡ；Cyclone；函数信号发生器
1、QuartusII软件简介
1.1QuartusII软件介绍
QuartusII是Alera公司推出的一款功能强大，兼容性最好的EDA工具软件。
该软件界面友好、使用便捷、功能强大，是一个完全集成化的可编程逻辑设计环境，具有开放性、与结构无关、多平台完全集成化丰富的设计库、模块化工具、支持多种硬件描述语言及有多种高级编程语言接口等特点。
QuartusII是Altera公司推出的CPLD/FPGA开发工具，QuartusII提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括：
可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；芯片平面布局连线编辑；功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；定时/时序分析与关键路径延时分析；可使用SignalTapII逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析；支持软件源文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件；使用组合编译方式可一次完成整体设计流程；自动定位编译错误；高效的期间编程与验证工具；可读入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文件；能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。
1.2QuartusII软件设计流程
（1）打开QuartusII软件。
（2）选择路径。
注意：
工作目录名不能有中文。
（3）添加设计文件。
（4）选择FPGA器件。
Family选择Cyclone，240，8。
（5）建立原理图或用VHDL语言描述设计电路。
（6）对原理图或用VHDL语言进行编译，无误后进行添加信号。
（7）对上述电路进行仿真。
（8）进行管脚分配。
（9）全局编译,采用JTAG或者AS模式进行下载测试.
2、系统设计方案
采用现场可编程逻辑阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）设计DDS电路比专用DDS芯片更具灵活性。
因为只要通过改变FPGA内部波形存储器中的波形数据，就可以实现任意波形输出，这使得用FPGA来实现DDS具有相当大的灵活性。
相比之下，FPGA所能实现的功能完全取决于设计需求，可以简单也可以复杂，另外，FPGA芯片还支持在系统升级，虽然在精度和速度上略有不足，但是基本上能满足绝大数系统的要求，并且，将DDS设计嵌入到FPGA内部所构成的系统中，其系统成本并不会增加多少，而专用DDS芯片的价格一般也比FPGA高。
因此，采用FPGA来设计DDS系统具有较高的性价比。
本设计利用正弦波的基波和多次谐波合成方波，通过相关按键来调节方波的频率相位和幅度，并在数码管上显示出来。
图1
2.1方波分解为多次正弦波之和的原理
代表周期性方波信号的函数
满足狄利克雷条件，即方波可以表示为多次正弦波之和。
如图2所示方波信号，其周期为2且正半周期负半周期是形状全同的矩形，在区间（0，2）内可用函数表示为：
若将
展开为三角傅里叶级数，即将
分解为多次正弦波之和，则有式（13）、式（14）可知，在区间（0，2）内，如图1所示的周期为2的方波信号的
，
，
的值分别为：
=
=
=
图2
则在区间（0，2）内
可表示为：
即周期为2s的方波信号中含有大量的正弦波，其频率分别为1/2，3/2，5/2，7/2···其中频率为1/2的正弦波称为基波，其他频率的正弦波称为谐波。
即一周期性方波，可表示为基波与无穷多谐波之和。
实用中进行信号分析时，不可能取无穷多次谐波之和，而只能用有限项来近似表示。
这样就无法避免有一误差
，如果将基波加到
次谐波之和后的函数表示为
，则有
=
+
，即
=
-
。
这里采用基波和3、5、7次谐波来合成方波。
2.2DDS波形发生器产生正弦波
直接数字频率合成器DDS（DirectDigitalSynthesizer）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。
一个直接数字频率合成器由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。
DDS的原理框图如图3所示：
图3
其中K为频率控制字、fC为时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D/A转换器的字长。
相位累加器在时钟fC的控制下以步长K作累加，输出N位二进制码作为波形ROM的地址，对波形ROM进行寻址，波形ROM输出的幅码S（n）经D/A转换器变成阶梯波S（t），再经低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形了。
合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅码，因此用DDS可以产生任意波形。
这里我们用DDS实现正弦波的合成。
2.2.1．频率预置与调节电路
不变量K被称为相位增量，也叫频率控制字。
DDS方程为：
f0=fCK/2N，f0为输出频率，fC为时钟频率。
当K=1时，DDS输出最低频率（也即频率分辨率）为fC/2N，而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定，即fC/2，也就是说K的最大值为2N-1。
因此，只要N足够大，DDS可以得到很细的频率间隔。
要改变DDS的输出频率，只要改变频率控制字K即可。
2.2.2相位累加器
相位累加器是整个DDS的核心，它由一个加法器和一个寄存器构成。
加法器的一个输入与寄存器输出相连，另一个输入是外部输入的频率控制字。
这样，在每个时钟到达时，相位寄存器采样上个时钟周期内相位寄存器的值与频率控制字之和，并作为相位累加器在这一时钟周期的输出。
频率控制字决定了相应的相位增量，相位累加器则不断地对该相位增量进行线性累加，当相位累加器加满量时就会产生一次溢出，从而完成一个周期性的动作，这个动作周期即是DDS合成信号的一个频率周期。
图4
2.2.3波形ROM查找表
波形ROM模块由ROM：
1-port宏模块生成，其地址线的位宽为9位，数据线的位宽为8位，即一个周期的波形数据有512个，每个数据占8位，其输出可直接DAC0832。
ROM中的MIF数据文件可使用Mif_Maker2010.exe软件生成。
图5
2.3按键控制设计
按键的功能主要实现控制频率和振幅,消除防抖动等.其工作流程如图6所示.
图6
2.4D/A数模转换模块设计
产生的数字正弦波需要经过数模转换成模拟输出,这里设计出8位的D/A转换器,相关代码和电路如图7所示
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
useieee.std_logic_arith.all;
entitydac0832is
port
（
clk:
instd_logic;
WR_n:
outstd_logic;
datin:
instd_logic_vector（7downto0）;
Analog_D:
outstd_logic_vector（7downto0）
）;
enddac0832;
architecturert1ofDAC0832is
begin
WR_n<='0';
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
Analog_D<=datin;
endif;
endprocess;
endrt1;
图7
2.5数码管显示设计
数码管动态扫描,通过四段数码管对输出波形频率和幅度进行调节,期中数码管的其工作流程图如图8所示.
图8
3．系统调试和实验结果
利用正弦波的基波和多次谐波合成方波，通过相关按键来调节方波的频率和幅度，并在数码管上显示出来。
方波经过调幅调频调相后的对比图如下图所示.
原图
调频
振幅
相位
4.设计总结
FPGA是当前数字系统设计领域比较火热的一种工具，它可以大大缩短设计需要的时间，降低成本的同时也提高了系统的稳定性。
使用VHDL语言描述硬件系统使得FPGA技术有了更广阔的应用领域。
本设计使用了基于Altera公司的FPGA系列，采用Altera公司提供的系统开发工具QuartusII软件进行了系统的设计和仿真。
对FPGA一直都有着浓厚的兴趣，借做课设的机会，认真的研究了一下这门科学。
发现FPGA技术比我想象中的要有很大的难度。
里面有很多的思想来源于信息电子技术里面的基本知识，包括门电路的概念以及寄存器传送的基本知识。
VHDL语言与C语言有很大的不同，但是C语言的编程思想也可以移植到VHDL语言中，尤其是一些逻辑算法的设计，需要有很强的C语言编程功底。
学习一门知识要从最基本的体系架构开始，倘若一开始就从顶层设计入手，就会造成很多基本原理、基本概念上的偏差，甚至会拖延学习设计的时间，事倍功半。
虽然课设完成了，但是我意识到，我对FPGA技术仅仅只是停留在入门的阶段，想要有更大的发展，更深入的研究，还需要更多的努力与实践。
参考文献
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清华大学出版社，2005.7
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化学工业出版社，2007.1
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北京航空航天大学出版社，2004.5
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电子工业出版社.
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哈尔滨工业大学出版社.
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256-261.
【7】褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用[M].西安：
西安电子科技大学出版社，2003：
1-22.
当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的世人皆知的人。
于是，我降临在了人间。
我出生在一个官僚知识分子之家，父亲在朝中做官，精读诗书，母亲知书答礼，温柔体贴，父母给我去了一个好听的名字：
李清照。
小时侯，受父母影响的我饱读诗书，聪明伶俐，在朝中享有“神童”的称号。
小时候的我天真活泼，才思敏捷，小河畔，花丛边撒满了我的诗我的笑，无可置疑，小时侯的我快乐无虑。
“兴尽晚回舟，误入藕花深处。
争渡，争渡，惊起一滩鸥鹭。
”青春的我如同一只小鸟，自由自在，没有约束，少女纯净的心灵常在朝阳小，流水也被自然洗礼，纤细的手指拈一束花，轻抛入水，随波荡漾，发髻上沾着晶莹的露水，双脚任水流轻抚。
身影轻飘而过，留下一阵清风。
可是晚年的我却生活在一片黑暗之中，家庭的衰败，社会的改变，消磨着我那柔弱的心。
我几乎对生活绝望，每天在痛苦中消磨时光，一切都好象是灰暗的。
“寻寻觅觅冷冷清清凄凄惨惨戚戚”这千古叠词句就是我当时心情的写照。
最后，香消玉殒，我在痛苦和哀怨中凄凉的死去。
在天堂里，我又见到了上帝。
上帝问我过的怎么样，我摇摇头又点点头，我的一生有欢乐也有坎坷，有笑声也有泪水，有鼎盛也有衰落。
我始终无法客观的评价我的一生。
我原以为做一个着名的人，一生应该是被欢乐荣誉所包围，可我发现我错了。
于是在下一轮回中，我选择做一个平凡的人。
我来到人间，我是一个平凡的人，我既不着名也不出众，但我拥有一切的幸福：
我有温馨的家，我有可亲可爱的同学和老师，我每天平凡而快乐的活着，这就够了。
天儿蓝蓝风儿轻轻，暖和的春风带着春的气息吹进明亮的教室，我坐在教室的窗前，望着我拥有的一切，我甜甜的笑了。
我拿起手中的笔，不禁想起曾经作诗的李清照，我虽然没有横溢的才华，但我还是拿起手中的笔，用最朴实的语言，写下了一时的感受：
人生并不总是完美的，每个人都会有不如意的地方。
这就需要我们静下心来阅读自己的人生，体会其中无尽的快乐和与众不同。
“富不读书富不久，穷不读书终究穷。
”为什么从古到今都那么看重有学识之人？
那是因为有学识之人可以为社会做出更大的贡献。
那时因为读书能给人带来快乐。
自从看了《丑小鸭》这篇童话之后，我变了，变得开朗起来，变得乐意同别人交往，变得自信了……因为我知道：
即使现在我是只“丑小鸭”，但只要有自信，总有一天我会变成“白天鹅”的，而且会是一只世界上最美丽的“白天鹅”……
我读完了这篇美丽的童话故事，深深被丑小鸭的自信和乐观所折服，并把故事讲给了外婆听，外婆也对童话带给我们的深刻道理而惊讶不已。
还吵着闹着多看几本名着。
于是我给外婆又买了几本名着故事，她起先自己读，读到不认识的字我就告诉她，如果这一面生字较多，我就读给她听整个一面。
渐渐的，自己的语文阅读能力也提高了不少，与此同时我也发现一个人读书的乐趣远不及两个人读的乐趣大，而两个人读书的乐趣远不及全家一起读的乐趣大。
于是，我便发展“业务”带动全家一起读书……现在，每每遇到好书大家也不分男女老少都一拥而上，争先恐后“抢书”，当我说起我最小应该让我的时候，却没有人搭理我。
最后还把书给撕坏了，我生气地哭了，妈妈一边安慰我一边对外婆说：
“孩子小，应该让着点。
”外婆却不服气的说：
“我这一把年纪的了，怎么没人让我呀？
”大家人你一言我一语，谁也不肯相让……读书让我明白了善恶美丑、悲欢离合，读一本好书，犹如同智者谈心、谈理想，教你辨别善恶，教你弘扬正义。
读一本好书，如品一杯香茶，余香缭绕。
读一本好书，能使人心灵得到净化。
书是我的老师，把知识传递给了我；书是我的伙伴，跟我诉说心里话；书是一把钥匙，给我敞开了知识的大门；书更是一艘不会沉的船，引领我航行在人生的长河中。
其实读书的真真乐趣也就在于此处，不是一个人闷头苦读书；也不是读到好处不与他人分享，独自品位；更不是一个人如痴如醉地沉浸在书的海洋中不能自拔。
而是懂得与朋友，家人一起分享其中的乐趣。
这才是读书真正之乐趣呢！
这所有的一切，不正是我从书中受到的教益吗？
我阅读，故我美丽；我思考，故我存在。
我从内心深处真切地感到：
我从读书中受到了教益。
当看见有些同学宁可买玩具亦不肯买书时，我便想到培根所说的话：
“世界上最庸俗的人是不读书的人，最吝啬的人是不买书的人，最可怜的人是与书无缘的人。
”许许多多的作家、伟人都十分喜欢看书，例如毛泽东主席，他半边床上都是书，一读起书来便进入忘我的境界。
书是我生活中的好朋友，是我人生道路上的航标，读书，读好书，是我无怨无悔的追求。
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