基于fpga多功能波形发生器的设计与实现

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1、万方数据第19卷第2期2007年5月宁德师专学报(自然科学版)JournalofNingdeTeachersCollege(NaturalScience)Vbl．19No．2Mav2007基于FPGA多功能波形发生器的设计与实现郑文斌(福建工程学院，福建福州350014)摘要：介绍了一种以FPGA为核心，应用VHDL技术的多功能波形发生器软件和硬件的设计与实现．该系统可以产生正弦波、三角波、方波，以及编辑生成上述3种波形(同周期)的任意波形的线性组合波形，并实现幅度、频率可调．关键词：压控振荡器；VHDL；FPGA中图分类号：四319文献标识码：A文章编号：1004—2911(

2、2007)02—0138一03目前，波形发生器大多由振荡器、放大器、衰减器、指示器和调制器组成．这种传统设计方法的特点是硬件和软件截然不同，设计中不可相互替代，而且硬件连线复杂，可靠性较差．硬件描述语言VHDL和可编程ASIC器件的广泛应用打破了硬件和软件的屏障．基于VHDL语言，以EDA技术作为开发手段，采用现场可编程I'-lY0FPGA作为控制核心实现的波形发生器，与传统的设计相比较，不仅简化了硬件控制，提高了系统的整体性能和工作可靠性，也为进一步提高系统集成创造了条件．1系统原理及组成系统组成原理见图1．其核心是一片Altera公司FLEXIOKIO系列的EPFl0K10

3、LC84-4芯片．圈垮困专[四昔圈哥回图1波形发生器原理框图2FPGA功能模块设计波形发生器的控制核心FpGA由3个功能模块组成：分频器(FENP)模块、信号产生器(FASQ)模块和混合器(CHOOSE31)模块．软件系统构成见图2．2．1分频器(FENP)模块FENP功能是对外部时钟进行分频，作为提供给系统各个模块的工作时钟．通过改变对外部时钟的分频参数实现输出波形频率可调．参数计算公式如下：y一!!丝1—2×64×厂其中以。。是晶振频率，是输出信号频率，l，是分频系数．2．2波形产生器(FASQ)图2多功能波形发生器软件结构图模块FASQ功能是产生正弦波、三角波和方波．每种

4、波形数字化描述频率均采用波形频率的64倍，以保证产生的波形稳定且不失真．三角波的产生：通过由全0不断加同一个数，到全1之后再不断减同一个数来实现．方波的产生：通过交替输出全0和全1，给以适当的延时实现．收稿13期：2006—12一lO作者简介：郑文斌(1980一)，女，助教，福建三明人，现从事电子与通信技术与研究万方数据第2期郑文斌等：基于FPGA多功能波形发生器的设计与实现。139·正弦波的产生：通过预先计算出一个正弦波表，然后查表输出实现．2．3混合器(CHOOSE31)模块CHOOSE31功能是输出3种波形中的一种或其任意线性组合的波形(同周期)．为了使输出波形的幅度稳定

5、，在波形进行叠加之后需要进行线性除法运算．3种波形叠加的线性除法运算的VHDL实现如下：begin=a(8downto1)；when“111”=>a：=“00”&dhatmp：=dlt&sqr&sin；+sqra；casetmpisb：2a+sina；when“100”=>q<=dha：when“010”=>q<=sqra：when“001”=>q<=sina：when“110”=>a：=“00’’&dha+sqra；q<=a(8downto1)；when“101”=>a：=“00”&dha+sina；q<=a(8downtoI)；when“01l”=>at2“00”&sqra

6、+sina：q<3软件系统的逻辑仿真C：=“00”&b(9downto2)；d：=“0000”&b(9downto4)；e：=“000000”&b(9downto6)；a：2c+d；b：2a+e：q<=b(7downtoO)；whenotllers=>null：endcase；FPGA中的3个功能模块进行综合仿真后，生成配置文件．其系统逻辑功能仿真波形见图3，各信号的逻辑功能和时序配合完全达到设计要求．4硬件电路的实现多功能波形发生器硬件电路的原理及实现，见图4．5综合调试的结果该系统调试成功，可以产生正弦波、三角波、方波，以及可用开关输入编辑生成上述同周期3种波形的任意2种或

7、3种的线性组合波形，并且实现频率以100Hz步迸可调，幅度在0～5V．6实现难点及使用VHDL应注意的一些问题由于VHDL语言是描述硬件行为的，相对其它开发软件的高级语言而言，在编程过程中有一些特殊性，所以，经常会出现语法正确却无法综合的问题．其原因多半因为编程者对硬件内部的工作原理不够了解，写出的代码硬件无法实现．以下是运用VHDL语言应注意的几个问题：(1)在一个进程中只允许一个信号上升沿作为触发条件．信号值改变后要经过一个小的图3多功能波形发生器功能仿真图4000Ⅵ117图4多功能波形