基于FPGA脈寬調(diào)制設(shè)計

1、基于fpga脈寬調(diào)制設(shè)計學院：電子信息工程學院姓名：學號指導老師：1.1選題背景與研究意義1.1.1信號發(fā)生器的實現(xiàn)技術(shù)信號發(fā)生器是電子測試設(shè)備中的一種，它用來產(chǎn)生不同類型、不同頻率、不 同幅度的電子波形，廣泛應用于電子設(shè)備的研發(fā)、測試和維修。它產(chǎn)生的典型波 形有正弦波、方波、三角波和鋸齒波。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器運用的是模擬技術(shù)，它的實現(xiàn)方法是將正弦波與某一電平 作比較，比較器的輸出即方波，通過調(diào)節(jié)待比較的電平即可產(chǎn)生占空比不同的方 波，內(nèi)對方波做積分和微分便可產(chǎn)生三角波，而鋸齒波的產(chǎn)生基于對電容的充電， 然后通過開關(guān)放電實現(xiàn)。模擬信號發(fā)生器技術(shù)的關(guān)鍵在于正弦波的產(chǎn)生。早期的技術(shù)都是基于諧振 法，

2、之后乂出現(xiàn)了基于鎖和環(huán)技術(shù)的信號發(fā)生器。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和直 掇數(shù)寧頻率合成技術(shù)（direct digital synthesizer）的提!li，一種新的信號產(chǎn)生方 法正在被廣泛應用，這種方法就是dds技術(shù)。信號發(fā)生器的數(shù)字實現(xiàn)方法有兩種，一種是運用專用集成電路（asic）信 號產(chǎn)生芯片，如adi公司的ad9850,另一種是運用可編程邏輯器件（fpga）。1.1.2研究背景及研究意義在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，信號發(fā)生器是重要的組成部分之一。在信號傳輸、通信 電子、電力載波、電子對抗等眾多領(lǐng)域被廣泛使用。比如，在廣播傳輸系統(tǒng)中， 高頻信號需耍作為載波發(fā)射，在這里就需要一個能產(chǎn)生高頻的信號發(fā)生器。

3、在工 、lk、生物醫(yī)學等領(lǐng)域，如超聲診斷、核磁共振等，都需要特定頻率、特定功率的 信號發(fā)生器。本設(shè)計是直接數(shù)字頻率合成技術(shù)與可編程邏輯器件的結(jié)合，首先，利用 verilog hdl語言完成了 dds信號發(fā)生器的rtl描述，其次，使用altera公司 出品的quartus ii 11.0進行模塊化設(shè)計和仿真。quartus ii是altera公司提供的 eda集成開發(fā)環(huán)境，其人機界面友好，特別適用于fpga初學者。與eda軟件 配合的是cyclone ii ep2c5q208c8開發(fā)板，體積小巧，功能豐富，非常適合用 于dds的設(shè)計。1.2信號發(fā)生器功能1.2.1信號發(fā)生器的功能作為基本功能，信

4、號發(fā)生器要具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波的能 力；設(shè)計說明書如下： 通過撥碼開關(guān)實現(xiàn)輸出spwm。 當撥碼開關(guān)同吋為“0”吋，輸出spwm。 當撥碼開關(guān)分別為“0” “丨”時，輸出正弦波和鋸齒比較后波形。 當撥碼開關(guān)分別為“1” “0”吋，輸出頻率改變的方波。 當撥碼開關(guān)同時為“1”時，通過某一按鍵開關(guān)切換輸出波形的類型，類 型在正弦波、三角波和鋸齒波之間切換。1.3信號發(fā)生器數(shù)字部分的設(shè)計1.3.1波形rom設(shè)計作為一款dds信號發(fā)生器，rom的設(shè)計很重要。木文的rom模塊調(diào)用了 quartus q帶的ip核r0m4-p0rt,在調(diào)用之前，需先準備好rom的初始化文 件，altera

5、的 fpga 的 rom 初始化文件的后綴名力.mif(memory initialized file), 格式如下：depth =128;width =8;address一radix = dec;data_radix = dec;contentbegin數(shù)據(jù)end;生成rom模塊的過程如下：打開“megawizard plug-in manager”，6:擊“create a new custom megafunction variation”，在狎出的對話框屮展開“memory compiler”歹!j表，在展開的列表屮選 擇“rom:1-port”，點擊“卜一步”，在“how wide

6、should the q output bus be ?”右 側(cè)選擇8位，在“how many 10-bit words of memory ?”右側(cè)選擇數(shù)據(jù)容量力128 個。點擊兩次“下一步”，選擇生成的mif文件，再點擊兩次“下一步”，在對話框屮把“生成bsf文件”勾上。最厄點擊“結(jié)束”，便完成了 rom的調(diào)用。生成的symbol如圖所示。r0m4paddress6.0i=d-i §ssooxq7.oclock如7 block type: m9krom 的 symbol止弦rom模塊的仿真波形如圖所示。clockssedrc;1x2x3x4x5x6xtx8x9x10xhx12；0

7、irom模塊仿真波形正弦rom模塊例化代碼如下：module z'neng (i inputelk,inputrst_nfinputenroutput 7:0 ql , output 7:0 sinewire 6:0 addr;日rom1promlp_inst (i.address ( addr ),.clock ( elk),q ( ql)；reg 6:0 ent;always© (pcsedge elk or r.egedge rst_n) 日beginif(!rst_n)enz <= 71do; else if(en)ent <= cnt+7'dl;

8、elsecnt<=cnt;-ndassign addr = ent; assign sine=ql;lendir.odule止弦波的symbol如圖所zhengelkq17.o礬rst_nsine7.o«eninstr.正弦波，方波，鋸齒波，三角波生成模塊的signaltap抓取波形如圖所示。1.3.2分頻模塊設(shè)計晶振的輸出頻率為50 mhz,為敁示spwm波形，這時就有必要對輸入時鐘 進行分頻了。分頻模塊的關(guān)鍵代碼如卜、module div (elk f out ); input elk; output out; reg out; xeg 5:0】q;always ( pos

9、edge elk ) if( q != 1) q <= q + 1； else q <= 0;always ( posedge elk )if ( q = 1)out<= -out;lendir.odule正弦波的symbol如圖所不*。div elkoutwr春vw，instl 止弦波的symbol1.3.3比較器和按鍵控制設(shè)計經(jīng)過上述設(shè)計，現(xiàn)在模塊具有四個rom,每個rom分別保存著正弦波、 方波、三角波和鋸齒波，模訣具有四個da輸;li,這就需要有一個模塊來實現(xiàn)對 四個數(shù)據(jù)的選擇，選出一路波形數(shù)據(jù)給da要產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波，可以將某一電平與止弦波比較，比較器的輸出即

10、占空比可調(diào)的方波，其屮，控制被比較的電平的大小即可控制方波的占空比。比較器及按鍵的關(guān)鍵代碼如下：input sell;input sel2;input klz k2 z k3;output 7:0 out;reg 7:0 out; always (posedge elk)芻begin| if ( (sell=0) “ (sel2=0)3 beginif (ql > q2) out <= 255; else out <= 0;一 endelse if ( (sell=0) && (sel2=l)3 beginif (ql > q4) out <= 2

11、55; else out <= 0;- endelse if ( (sell=l) && (sel2=0)3 beginout <= q3;- endelse if ( (sell=l) && (sel2=l)3 beginif (kl0)out<=q2 ; else if (k2=0) out<=q4; else if (k3=0) out<=q5;- end else ;比較器及按鍵的symbol如圖所示bijiaoelkout7"0j1q57.0jqip.ojq27.oq37.0jq47.osell&et2k

12、1k2k3instzupjtoutp比較器及按鍵的symbol1.3.4 spwm波生成設(shè)計spwm波生成運用了正弦波和等腰三角波電平相比較的原理，只需調(diào)用一 個三角波生成模塊，將三角波的電平與正弦波相比較即可，比較的輸出接數(shù)裾選 擇器，就可輸出spwm波了。spwm波生成模塊的signaltap抓取波形如圖所示。spwm波生成模塊的signaltap抓取波形1.3.5頂層設(shè)計整個數(shù)字系統(tǒng)的頂層設(shè)計是按照圖進行的，其quartus原理圖如圖所示ck -* 扇a>«1.< 參嚳曇攀攀參參參參魯暴參豢*鬱攀:uw:;| w':：:： ：:：!： :：:.u-a >

13、;ti，參«<r a n。 r a-r «<a. >an q mu* a/« :丄%*<»or-« i 數(shù)字部分頂展圖rtl圖如卜所示§ rr viewer - cusers./wministratoo'desbop/ceshi/ceshi - ceskffc edt sew took mndo hdp ;tde: -c: e 3 s 龜珍固ib em aomfnlockr: iceih (77 optwi.tj mode suber, toesfhjrcjut2015/1/102.1總結(jié)通過此次設(shè)計，

14、讓我深深的感覺到自匕所學知識真是非常的淺薄。血對電子 技術(shù)日新月異的發(fā)展，利用eda手段進行設(shè)計已成為不可阻擋的趨勢。相對于傳 統(tǒng)至底向上的設(shè)計方式，自上而下的設(shè)計具有蘇顯著的優(yōu)越性。利用eda設(shè)計軟 件輔助設(shè)計，方便快捷，減少了錯誤率的產(chǎn)生，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計及上市周期， 既減輕了設(shè)計工作量又滿足了商業(yè)利益的需求。該系統(tǒng)以cyclon器件為核心 部件，可利用軟件編程實現(xiàn)了對d/a轉(zhuǎn)換信號的處理。努力做到了線路簡單、高 性價比的特點，充分利用了軟件編程，彌補了硬件元器件的不足。在設(shè)計過程 當屮，遇到了軟件操作不熟練，程序編寫不規(guī)范等諸多問題，通過對問題的總結(jié) 分析得出，應用軟件的主要功能必須熟練操作，才能提高工作效率，需要規(guī)范操 作的地方必須嚴格按照使用說明操作，避免巾于軟件使用不當造成的錯誤產(chǎn)生。 程序的編寫格式必須規(guī)范，模塊、端門以及信號變量的命名應當反映實際意義， 縮進格式工整明了，方便閱讀理解，這樣有利于程序的編寫，有利于分