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1、编号：蹒卷井令孑科技大珍GUlLlNUNIVERSITYOFELECTRONICTECHNOLOGY毕业设计（论文）说明书题目:基于FPGA的信号发生器的设计和实现院（系）:信息与通信学院专业：通信工程学生姓名：李闪闪学号：0800210319指导教师：梁红玉职称：讲师题目类型：理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发2012年5月25日摘要信号发生器又称为波形发生器，是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、通信、控制和教学实验等领域。它是科研及工程实践中最重要的仪器之一,以往多用硬件组成，系统结构比较复杂，可维护性和可操作性不佳。随着计算机技术的发展，信号发生器的设计制作越来越多的是用计
2、算机技术，种类繁多,价格、性能差异很大。用FPGA或CPLD来实现，它的优点是可以进行功能仿真,而且FPGA和CPLD的片内资源丰富，设计的流程简单。本课题主要研究基于FPGA的信号发生器的设计和实现，设计研究工作大部分是在计算机软件平台QuartusIl下完成的。在QuartusIl环境下，先用verilog语言进行各模块的程序编写，然后生成顶层模块，连接各模块端口，形成信号发生器顶层原理图，通过QUartUSII仿真，得到具体数据。最后通过FPGA开发板连接示波器，调试出波形进行总结和分析。本文结构如下：第一章绪论，介绍课题研究的目的、发展现状，最后再说明课题研究的主要内容O第二章对本课题
3、研究的任务要求以及工作流程进行说明。第三章简单介绍开发工具和FPGA原理。第四章详细说明信号发生器各模块的verilog语言编程和相关原理。第五章总结。关键词：FPGA；Verilog编程语言；信号发生器；QuartusllAbstractSignalgenerator,alsoknownasawaveformgenerator,isacommonsource,widelyusedinelectroniccircuits,communications,control,andteachingexperiments.Itisoneofthemostimportantinstrumentinther
4、esearchandengineeringpractice,pastuseofhardwarecomponents,systemarchitectureismorecomplex,poormaintainabilityandoperability.Withthedevelopmentofcomputertechnology,moreandmore,signalgeneratordesignistheuseofcomputertechnology,awiderangeofprice,performance,verydifferent.FPGAorCPLDzitsadvantageisthatth
5、efunctionalsimulation,andFPGAandCPLDchipisrichinresources,thedesignprocessissimple.ThemainsubjectofstudydesignandimplementationofFPGA-basedsignalgenerator,designedmostoftheworkcompletedinthecomputersoftwareplatform,theQuartusII.TheprogrammingofthemoduleintheQuartusIlenvironment,usetheveriloglanguage
6、andthengenerateatop-levelmodule,connecttheportsofeachmodule,theformationofthetop-levelschematicdiagramofthesignalgeneratorbytheQuartusIlsimulationspecificdata.Finally,theFPGAdevelopmentboardconnectedtotheoscilloscope,debugging,waveformweresummarizedandanalyzed.Thepaperisorganizedasfollows:ChapterIin
7、troducesthepurposeofresearch,developmentstatus,thefinaldescriptionoftheresearchofmaincontent.ChapterIlgivesthetaskrequirementsoftheresearchwork,aswellasexplaintheprocess.Chapter III isabriefintroductiontodevelopmenttoolsandFPGAprinciple.Chapter IV detailsthesignalgeneratormoduleVerilogprogramminglan
8、guageandrelatedprinciples.Chapter V issummary.Keywords:FPGA;Verilogprogramminglanguage;signalgenerator;theQuartusIl目录引言11绪论21.l课题研究的意义21.2国内外研究状况及趋势21.3本课题研究的主要内容22课题设计要求和方案说明22.1 课题研究内容和要求22.2 课题设计方案及参数指标说明32.2.1 设计方案32.2.2 参数指标说明32.3 课题研究和设计工作流程33开发工具和FPGA原理43.1 AlteraQuartusIl9.043.2 FPGA的原理44信号发
9、生器的VerilogHDL语言编程设计和模块建模54.1 信号发生器54.1.1 信号发生器顶层图54.1.2 信号发生器流程图64.1.3 信号发生器模块64.2 锁相环模块64.3 矩阵键盘扫描模块74.3.1 键盘扫描状态图84.3.2 矩阵键盘扫描模块84.4 分频模块94.4.1 吞脉冲分频原理94.4.2 分频模块及仿真分析104.5 地址发生器模块104.5.1 定制初始化数据文件104.5.2 定制LPM元件124.5.3 地址发生器模块1246波形选择模块134.7 幅度调节模块144.8 DA转换模块144.8.1 变换的原理144.8.2 -DAC的结构144.8.3 -
10、DAC的FPGA实现154.9 滤波器164.10 实物图165总结17谢辞19参考文献20引言随着我国的经济日益增长，社会对电子产品的需求量也就越来越大，目前,我国的电子产品市场正在迅速的壮大，市场前景广阔。FPGA在现代数字电路设计中发挥着越来越重要的作用。FPGA/CPLD所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性，缩短了产品的上市时间并降低可电子系统的开发成本。传统信号发生器大多由模拟电路构成，存在连线复杂、调试烦琐且可靠性较差等缺点。以VHDL编程语言和FPGA器件为核心的可调信号发生器的设
11、计实现，提高了系统可靠性，实现了系统信号实时快速测量，也为其广泛应用于实际领域创造了条件。利用FPGA具有的静态可重复编程和动态可系统重构的特性，使得硬件功能像软件一样通过编程修改，从而提高开发效率，缩短研发周期。信号发生器是一种常用的信号源，它是一种为电子测量和计量工作提供信号的设备，信号源作为一种基本电子设备在教学、科研、电子产品测量与调试、部队设备技术保障等领域，都有着广泛的应用。论文先简要介绍了信号发生器的一些基本理论以及它所使用的工具QUartUSII。然后提出了基于信号发生器各个模块及整体的设计方案，并对其建模和FPGA语言编程，最后在通过FPGA开发板演示信号发生器运行结果，在示
12、波器上显示出波形,并对该系统进行了性能的分析和比较。1绪论1.1 课题研究的意义随着经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，传统的信号发生器大多采用专用芯片或单片机或模拟电路，成本高、控制方式不灵活、波形种类较少等不能满足要求。但近几年随着FPGA技术的快速发展和广泛应用，其在信号发生器上的应用得到了很好的认同，很好的解决了有传统信号发生器带来的一些问题，信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类，因此开发信号发生器具有重大意义。1.2 国内外研究状况及趋势随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展,促使信号发生器种类日益增多，性能日益提高，尤其
13、随着70年代微处理器的出现更促使信号发生器向着自动化、智能化发展，但还是存在一些问题。直到近年来现场可编程门阵列(FPGA)技术得到快速的发展和广泛的应用，其资源容量、工作频率以及集成度都得到了极大的提高，使得利用FPGA实现某些专用数字集成电路得到了大家的关注，而基于FPGA实现的信号发生器和以前相比有着灵活的接口和控制方式、较短的转换时间、较宽的宽带、以及相位连续变化和频率分辨率较高等优点，比起专用芯片功耗也低，为信号发生器的发展提供了一种新的设计方法和思路。目前以硬件描述语言(VeriIog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC
14、设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。1.3 本课题研究的主要内容本课题主要研究基于FPGA的信号发生器的设计和实现问题。具体内容如下：(1)信号产生模块：产生正弦波、三角波和方波信号的数字信号，能通过滤波器转化成模拟信号的正弦波、三角波和方波的波形。(2)数模转换电路模块：分为波形DAC和调幅DAC两部分。波形DAC是根据FPGA有输出数据产生相应的模拟波形的输出；调幅DAC
15、是根据FPGA有输出数据，用来调节波形DAC的基准电压，达到输出波形幅度调节的目的。(3)频率控制模块：通过分频器设置固定和可变的分频系数，从而改变信号的频率，达到频率调节调功能。最后，整理仿真波形、数据，进行分析总结。2课题设计要求和方案说明2.1 课题研究内容和要求本课题要求使用FPGA软件，通过软件设计并实现信号发生器。要完成的内容包括如下：学习并理解信号发生器的基本原理。分析并熟练掌握信号弹发生器的实现方案及其原理。最后在FPGA上实现设计总体实现方案，通过FPGA开发板和示波器得出正弦波、矩形波和三角波，深入学习并掌握各个模块的工作原理，功能和编程实现方法。2.2 课题设计方案及参数指标说明2.2.1 设计方案本课题采用4*4矩阵键盘作为输入设备，通过吞脉冲技术小数分频法对频率进行分频得到所需要的频率进行频率调节控制，将波形数据存储在一个ROM内存里，通过地址读取波形数据，再通过DA转换器输出波形，其中DA转换器采用的是变换采用过取样技术。本课题的重点难点为吞脉冲分频和DA转换器。2.2.2 参数指标说明性能指标要求：(1)信号的输出峰值L5V,步进小于0.5V。(2)输出频率f范围为llHz100kHz,步进频率调节不大于1Hz。(3)两路信号相位差调节等于1。观察并分析仿真和实现结果，与理论结果进行比较，检验结果是否正确，列出数据，得出结论。
