基于FPGA LPM多功能信號發(fā)生器設計

　　信號發(fā)生器又稱(chēng)為波形發(fā)生器， 是一種常用的信號源，廣泛應用于電子電路、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，系統結構比較復雜，可維護性和可操作性不佳。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，信號發(fā)生器的設計制作越來(lái)越多的是用計算機技術(shù)，種類(lèi)繁多，價(jià)格、性能差異很大。用FPGA 或CPLD 來(lái)實(shí)現，它的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行功能仿真，而且FPGA 和CPLD 的片內資源豐富，設計的流程簡(jiǎn)單。用FPGA 所構成的系統來(lái)產(chǎn)生波形信號，這個(gè)系統既能和主機系統相連，用相應的上層軟件展示波形信號， 又方便程序的編寫(xiě)， 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)生器由計數器或地址發(fā)生器（6 位）、正弦信號數據ROM （6 位地址線(xiàn)，8 位數據線(xiàn)， 含有64 個(gè)8 位數據， 一個(gè)周期）、原理圖頂層設計和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，如用計數器直接產(chǎn)生信號輸出，或者用計數器產(chǎn)生存儲器的地址，在存儲器中存放信號輸出的數據。信號發(fā)生器的控制模塊可以用數據選擇器實(shí)現， 用8 選1 數據選擇器實(shí)現對5 種信號的選擇。

圖1 信號發(fā)生器結構框圖

　　最后將波形數據送入D/A 轉換器，將數字信號轉換為模擬信號輸出。用示波器測試D/A 轉換器的輸出，可以觀(guān)測到5 種信號的輸出。

　　1.1 定制初始化數據文件

　　QuartusII 能接受的LPM_ROM 模塊中的初始化數據文件的格式有兩種：。mif 格式文件和。hex 格式文件。實(shí)際應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，調出產(chǎn)生ROM 數據文件大小的選擇窗。根據64 點(diǎn)8 位正弦數據的情況，可選ROM 的數據數Number 為64，數據寬Word size 取8 位。單擊OK 按鈕，將出現圖2 所示的空的。mif數據表格，表格中的數據格式可通過(guò)鼠標右鍵單擊窗口邊緣的地址數據彈出的窗口選擇。

圖2 .mif 數據表格

　　將波形數據填入mif 文件表中也可以使用QuartusII 以外的編輯器設計MIF 文件，其格式如下：

　　#include STdio.h>

　　#include "math.h"

　　main（）

　　{int i；float s；

　　for （i=0；i1024； 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 命令行下執行命令：

　　romgen > sin_ rom. mif；

　　1.2 定制LPM 元件

　　打開(kāi)Mega Wizard Plug_In Manager 初始對話(huà)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(yǔ)言方式；最后輸入ROM 文件存放的路徑和文件名：F:sing_gntdata_rom （定制的ROM 元件文件名），單擊Next 按鈕，選擇ROM 控制線(xiàn)、地址線(xiàn)和數據線(xiàn)。這里選擇地址線(xiàn)位寬和ROM 中數據數分別為6 和64； 選擇地址鎖存控制信號inclock。

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

1.3 完成頂層設計

　　按圖3 畫(huà)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(jiǎn)易正弦信號發(fā)生器頂層電路設計

圖4 當前工程仿真波形輸出

　　對當前設計通過(guò)執行Quartus II 的命令Create ∠ Update/ Create Symbol Files for Current File，可以為設計電路建立一個(gè)元件符號，以便被頂層設計多功能信號發(fā)生器所調用。

　　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)生器的設計方法設計或直接采用VHDL 硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設計。

　　LIBRARY IEEE；--遞增鋸齒波的設計

　　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；--復位信號reset， 時(shí)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； --復位信號reset，時(shí)鐘信號clk

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

　　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 頂層電路的設計

　　將上述6 個(gè)模塊生成符號，供頂層電路調用。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 和數據選擇器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 轉換器的連接

　　選擇一個(gè)D/A 轉換器，將數據選擇器的輸出與D/A 轉換器的輸入端連接。D/A 轉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(shí)的情況進(jìn)行仿真，此時(shí)輸出波形是方波，輸出的數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 結束語(yǔ)

　　硬件電路設計主要是設計相關(guān)模塊的設計思想的可視化，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計方案的具體模塊和整個(gè)設計的原理結構實(shí)圖；程序設計這一部分主要闡述該設計的設計方法與設計思想，進(jìn)一步從軟件設計上揭示設計構思，主要包含了整個(gè)設計所用到的模塊的硬件描述語(yǔ)言的設計， 本文設計思路清晰，通過(guò)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的人員提供另一種途徑來(lái)實(shí)現，加深理解EDA 的層次設計思想，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。