基于FPGA的三相正弦波發(fā)生器

1、短學(xué)期課程設(shè)計報告設(shè)計名稱：電子技術(shù)課程設(shè)計設(shè)計題目：基于 FPGAFPGA 的三相正弦波發(fā)生器院（系）:信息學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系年 級：20142014 級指導(dǎo)教師：張輝波西南交通大學(xué)20162016 年 7 7 月目錄一、.緒論41.1 設(shè)計目的.41.2 設(shè)計要求.4二、.方案設(shè)計42.1 概論設(shè)計.42.2 各子系統(tǒng)模塊 .5.2.3 使用器件說明.5.三、.詳細(xì)設(shè)計63.1 設(shè)計原理.6.3.2 正弦波設(shè)計.6.3.3 三相波疊加.7.3.4 分頻設(shè)計.8.3.5 引腳鎖定 . 9四、.測試及使用說明104.1 測試步驟. 104.2 實驗結(jié)果. 11五、 結(jié)論.13六、 實習(xí)總結(jié)

2、.1.3.附件：.161.1.電路原理圖. 162.2.PCB 版圖163.Verilog 代碼17一、緒論1.1 設(shè)計目的三相交流電是三個頻率相同的交流電的組合， 相位彼此相差 120120 度，主要應(yīng)用于需要大電力的場合并且三相交流電的頻率可調(diào)。 在此 基礎(chǔ)上研究關(guān)于三相正弦波的研究?；?FPGAFPGA 的三相正弦波發(fā)生器，在 CycloneCycloneH系列EP2C8T144C8EP2C8T144C8 上實現(xiàn)正弦波信號的產(chǎn)生，利用單片機(jī) PICI8F4550PICI8F4550 控 制波形的頻率及相位差。同時單片機(jī)通過 DAC0832DAC0832 控制波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換 DACDAC

3、 參考電壓實現(xiàn)在波形幅度的控制，D D/A A 輸出的波形經(jīng)過放大 后輸出。輸出的三相正弦波有利于觀察。1.2 設(shè)計要求關(guān)于此次三相正弦波的設(shè)計有兩種任務(wù)要求， 基本要求為輸出的 電壓在 0-5V0-5V 之間可調(diào)。輸出的信號頻率為 50Hz50Hz。正弦失真度在+/-+/- 5%5%之間。而提高要求為輸出三相方波，并且三相波要可調(diào)頻可調(diào)相。本組要完成的任務(wù)是簡化版，故任務(wù)要求是輸出頻率為50Hz50Hz 的三相正弦波即可。二、方案設(shè)計2.1 概論設(shè)計首先先完成單相正弦波的代碼，實現(xiàn)單相正弦波波形的輸出，然 后繪制電路圖，此時的電路圖是不能調(diào)頻調(diào)相的。然后進(jìn)行分頻操作， 將兩個 addladd

4、l 地址疊加，然后輸出的三個 ROMROM 里讀出數(shù)據(jù)即為存入 的正弦波序列。2.2 各子系統(tǒng)模塊此次的三相波設(shè)計共涉及到四個子系統(tǒng)模塊，分別是單相波的設(shè) 計、正弦波形的設(shè)計、三相波的疊加、分頻設(shè)計、引腳標(biāo)注等。2.3 使用器件說明三相正弦波發(fā)生器元器件清單序號元器件名稱及型號備注1DAC0832需要 o 丨2運(yùn)放 OP07Im324 也可以，需要 3個3LMC7660產(chǎn)生負(fù)電源4空心電源插座（5mm 直徑）作品電源接口5有源晶振（6MHz）可以直接使用 FPGA 自帶6相關(guān)元器件芯片插座安插相關(guān)芯片7印制板、烙鐵、導(dǎo)線、焊錫等電子工藝實習(xí)應(yīng)用8EP2C8T144C8 開發(fā)板下載應(yīng)用9多路直流

5、穩(wěn)壓電源正負(fù)開關(guān)線性可調(diào)穩(wěn)壓模塊正負(fù) +-12V 5V 3.3V米用多路輸出的電源開關(guān)表 2.1三、詳細(xì)設(shè)計3.1 設(shè)計原理系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、FPGAFPGA 波形產(chǎn)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、濾波輸出模塊、觸摸屏輸入和液晶顯示模塊組成，單片機(jī)控制FPGAFPGA產(chǎn)生輸入頻率和相位差的三相正弦波，經(jīng)過 D D/A A 轉(zhuǎn)換后濾波輸出， 三相波形的幅度也由單片機(jī)通過改變 D D/A A 的參考電壓控制基于 FPGAFPGA 的三相正弦波發(fā)生器，是由地址發(fā)生器完成信號的輸 入，存入 ROMROM 中，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化軟件即可得到合適的模型曲線。 總體框圖：圖 3.13.13.2 正弦波設(shè)計正弦波的數(shù)據(jù)需

6、要轉(zhuǎn)換為* *. mifmif 文件后存放到 ROMROM 中，mifmif 文 件有固定格式規(guī)定了每個字的位寬 WIDTHWIDTH、總字?jǐn)?shù) DEPTHDEPTH 地址進(jìn) 制基數(shù) ADDR-ESS_RADIXADDR-ESS_RADIX 和數(shù)據(jù)進(jìn)制基數(shù)DATA_RADIXDATA_RADIX 在 MatlabMatlab 環(huán)境中編程計算出正弦波數(shù)據(jù)，然后生成 mifmif 文件。EP2C8T144C8EP2C8T144C8 擁有較充裕的存儲空間。因此，設(shè)計中為了提高 精度在 ROMROM 中存放256256 個正弦數(shù)據(jù)，頻率控制字、相位控制字由單 片機(jī)控制產(chǎn)生，經(jīng)過相位累加器組成地址發(fā)生器，

7、產(chǎn)生的地址連到 ROMROM 的地址線上進(jìn)行查表得到波形數(shù)據(jù)。詳見附錄代碼-Verilog-S401-Verilog-S401 和 S402.S402.單項正弦波的實現(xiàn)圖 3.23.23.3 三相波疊加為實現(xiàn)上述要求的三相正弦波，可采用問題分解的方法、逐個分 析問題。三相波的疊加圖 3.33.3對于圖中的 ROMROM 可以利用 QuartusQuartus 2 2 的 LPMLPM 功能，定制一個 8bit8bit 數(shù)據(jù)寬度，12128 8字節(jié)深度的 ROMROM：先完成單相正弦波的代碼，實現(xiàn)單相正弦波波形的輸出，然后繪 制電路圖，此時的電路圖是不能調(diào)頻調(diào)相的。然后進(jìn)行分頻操作，將 兩個 a

8、ddladdl 地址疊加，然后輸出的三個 ROMROM 里讀出數(shù)據(jù)即為存入的正弦波序列3.4 分頻設(shè)計為了對波形頻率精確控制，不同頻率段需要不同的輸入頻率。 項 目設(shè)計中采用選擇的引腳為 P17P17 口為 5050 MHzMHz 外部有源晶振。根據(jù)題 目的要求，輸出的三相正弦波要求為 50Hz50Hz，因此要在輸入端與正弦 波發(fā)生器之間添加一個分頻器，使得其頻率降低。其分頻代碼見附錄-Verilog-S404.-Verilog-S404.3.5 引腳鎖定1 1、輸入引腳PIN 17|圖 3.43.4P17P17 口主板器件名為 50MHz50MHz2 2、三相波的輸出圖 3.53.5圖 3.

9、73.7四、測試及使用說明4.1 測試步驟本次電子設(shè)計的目的是實現(xiàn)三項正弦波發(fā)生器，即可輸出三相波即可。由于在課程設(shè)計時已經(jīng)確定其輸出的頻率 50Hz50Hz （輸入口 cpcp 為 50MHz50MHz 的 P17P17 口，且設(shè)置一個分頻器使其輸出為 50Hz50Hz），而且三項 正弦波已設(shè)置完全，故本題不需進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。主要測試步驟：1 1、 電源部分進(jìn)行連線2 2、 插入電源，通電3 3、 輸出端連線到示波器上4 4、 將文件下載到電路板上5 5、 運(yùn)行，觀察示波器4.2 實驗結(jié)果本題的目的是實現(xiàn)三項正弦波的輸出，故分步進(jìn)行先完成單相波，接著是雙相波，最后為三相波。1.1.仿真波形：2

10、 2兩相正弦波圖 4.24.23.3.三項正弦波圖 4.3五、結(jié)論本項目以低功耗、操作方便、結(jié)構(gòu)合理、易于調(diào)試為主要設(shè)計原則，以求解出三相正弦波發(fā)生器，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，力求硬件線路 簡單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，并最大限度挖掘FPGAFPGA 片內(nèi)資源，來滿足系統(tǒng)要求。利用硬件描述語言 VHDLVHDL 編程 QuartusQuartus IIII 軟件環(huán)境下進(jìn)行了編譯及仿真測試，在 FPGAFPGA 芯片上設(shè)計了函數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波，系統(tǒng)的頻率分辨率高，頻率切換速度比較快，設(shè)計縮短了開發(fā)研制周期， 提高了設(shè)計效率，而且使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計靈活、實現(xiàn)簡單、 性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。本設(shè)

11、計的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于實物圖的設(shè)計與制作，更深層次的則在于早期 PCBPCB 版的設(shè)計，以及后期的鉆孔、連線、焊接等。這些操作 影響到最終的成果展示。我們小組也在最終的PCBPCB 版的制作上出現(xiàn)了麻煩。六、實習(xí)總結(jié)1 1在這次電子技術(shù)課程設(shè)計實習(xí)中，我們組完成的課題是：三相正弦波發(fā)生 器（簡化版）。這次實習(xí)將我們學(xué)習(xí)的數(shù)電，電分的專業(yè)知識運(yùn)用到實際生產(chǎn) 中，由于未接觸過模電，因此我們組的實習(xí)要求有所降低，難度也小多了, 但我們的努力可一點(diǎn)都沒少。在實習(xí)中，我們掌握了對 AltiumAltium DesignerDesigner 等軟件的使用，又重新熟悉 了對對數(shù)電建模軟件 QuartusQuar

12、tus IIII 的應(yīng)用。在這個課程設(shè)計實習(xí)中，我們將以 前許多在課本上學(xué)習(xí)到的專業(yè)的理論知識應(yīng)用到實際操作上。整個實習(xí)過 程是相當(dāng)愉快的，但是仍舊出現(xiàn)了不少的問題，這說明我們依然欠缺某些 必要的知識，而這些知識實在課堂上沒有學(xué)到的，只有在課后自己積累。 這也突出了我們自主學(xué)習(xí)的能力。在親自動手制作的時候，我們知道了理論 聯(lián)系實際的重要性，而焊接練習(xí)則是最好的證明。雖然我們知道許多關(guān)于 焊接的理論知識，但卻無法得到合格的焊點(diǎn)，只有通過不斷練習(xí)來彌補(bǔ)。在課程設(shè)計過程中，我們發(fā)現(xiàn)錯誤，改正并領(lǐng)悟。最終在大家的努力下最 終完成了任務(wù)。通過這次實習(xí)，我們不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、親自動手操作的能力，而且 還

13、提高了許多其他能力，比如團(tuán)隊協(xié)作能力等要想圓滿地完成一項任務(wù)除 了需要扎實的專業(yè)知識之外，還需要小組成員的通力合作?？傊?，這次實習(xí)，我受益匪淺。2 2、在電子技術(shù)課程設(shè)計實習(xí)中，我們組的課題是：三相正弦波發(fā)生器。由于計 算機(jī)系未學(xué)習(xí)過模電，所以在實際設(shè)計中我們遇到了很多問題。老師很體 貼的為我們降低了難度，但是這次實習(xí)我們的努力可一點(diǎn)都沒少。實習(xí)的目 的是將數(shù)電，模電的專業(yè)知識運(yùn)用到實際生產(chǎn)中，加深對這些方面的理解, 加強(qiáng)成員的動手能力等，這些方面我們都獲得了提高。首先，我們掌握了對 AltiumAltium DesignerDesigner 等軟件的使用，又重新熟悉了 對數(shù)電建模軟件 Qua

14、rtusQuartus IIII 的應(yīng)用。實習(xí)結(jié)束時，我們都也已可以熟練 的使用這些元件完成我們所要實現(xiàn)的功能。常言道“絕知此事要躬行”， 在實習(xí)中溫習(xí)了一部分?jǐn)?shù)電的知識，并掌握了很多以前忽略的數(shù)電知識。 為了完成實習(xí)，我們也自學(xué)了模電的一些基礎(chǔ)知識。實習(xí)最重要的是加強(qiáng) 了我們的動手能力，也加強(qiáng)了我們的小組合作的默契。總之，通過這次實習(xí)，培養(yǎng)了我們的獨(dú)立思考、親自動手操作的能力， 并還提咼了如團(tuán)隊協(xié)作能力等其他能力。我有很大的收獲。3 3、在完成了焊接練習(xí)之后，我們就進(jìn)入了第二個實習(xí)一一電子課程設(shè)計實習(xí)， 我們組的選題是三相正弦波發(fā)生器，就是實現(xiàn)三相正弦波的發(fā)生。在電子課程 設(shè)計過程中，我們主

15、要運(yùn)用到的是數(shù)電，模電以及電路分析的知識，要用到的 主要軟件是 QuartusQuartus I I和 AltiumAltium DesignerDesigner在一開始的時候，我們主要用到的是數(shù)電的知識，雖說有些部分有一點(diǎn)遺 忘，對QuartusQuartus I I 的操作也有一些生疏，但是經(jīng)過復(fù)習(xí)我們還是順利地完成了編 程，原理圖繪制以及仿真，這一部分進(jìn)行得還是比較順利的，沒有遇到太多的 問題。但是之后我們在輸出正弦波的時候遇到了問題，輸出的波形不是標(biāo)準(zhǔn)的 三相正弦波，在詢問老師之后，才得知是因為沒有分頻，所以導(dǎo)致了輸出時出 錯，完善原理圖之后就能征確輸出了。下一部分就是用 ADAD 軟

16、件來完成 PCBPCB 板的設(shè)計，這一部分原理圖的設(shè)計對 我們來說難度是比較大的，但是在大家的共同努力之下，這部分工作也得以圓 滿完成。在實現(xiàn)這一步之后就是布線，雖然布線的工作有一些復(fù)雜繁瑣，我們 在這一過程中也遇到了一些問題，但最終也是被我們解決了。最后就是用至及 前焊接的內(nèi)容進(jìn)行焊接，做出實物成品。在本次實習(xí)過程中，我有很多的感悟。首先我們要更力 0 0 重視知識的運(yùn)用， 學(xué)會用所學(xué)的內(nèi)容去解決實際問題，而并不是一味地填充，去死記硬背。同時 我們要時常復(fù)習(xí)之前所學(xué)的內(nèi)容，正所謂溫故而知新，通過本次實習(xí)讓我對 QuartusQuartus I I 的使用更加熟練。除此之夕卜就是要多向他人請教，我們在學(xué)習(xí)工作中 會遇到很多的問題，不要積攢問題，要及時解決。最后就是重視團(tuán)隊合作，重 視集體的力量，分工合作往往會達(dá)到事半功倍的效果。附件電路原理圖附圖 1附圖 2PCBPCB 版圖IJ*附圖3 3Verilog 代碼1、module s401(cp,q);in put cp;output 7:0q;reg 7:0 q=0;always (posedge cp)begi nif(q =8d255)q =8b0000_0000;else q=q+1;enden dmodule