基于FPGA LPM多功能信號發生器設計

　　信號發生器又稱為波形發生器， 是一種常用的信號源，廣泛應用于電子電路、通信、控制和教學實驗等領域。它是科研及工程實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。隨著計算機技術的發展，信號發生器的設計制作越來越多的是用計算機技術，種類繁多，價格、性能差異很大。用FPGA 或CPLD 來實現，它的優點是可以進行功能仿真，而且FPGA 和CPLD 的片內資源豐富，設計的流程簡單。用FPGA 所構成的系統來產生波形信號，這個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， 而且還有A/D0809接口可以產生模擬信號的輸出和外面的示波器相連。

　　1 正弦信號發生器的LPM 定制

　　正弦信號發生器由計數器或地址發生器（6 位）、正弦信號數據ROM （6 位地址線，8 位數據線， 含有64 個8 位數據， 一個周期）、原理圖頂層設計和8 位D/A （ 實驗中用DAC0832 代替）。

　　其框圖如圖1 所示。其中信號產生模塊將產生所需的各種信號，這些信號的產生可以有多種方式，如用計數器直接產生信號輸出，或者用計數器產生存儲器的地址，在存儲器中存放信號輸出的數據。信號發生器的控制模塊可以用數據選擇器實現， 用8 選1 數據選擇器實現對5 種信號的選擇。

圖1 信號發生器結構框圖

　　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，調出產生ROM 數據文件大小的選擇窗。根據64 點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Mega Wizard Plug_In Manager 初始對話框， 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、地址線和數據線。這里選擇地址線位寬和ROM 中數據數分別為6 和64； 選擇地址鎖存控制信號inclock。

　　對于地址信號發生器的設計。方法一：用VHDL 語言設計6 位計數器，產生其元件符號；方法二：仍采用LPM 定制的方法。

1.3 完成頂層設計

　　按圖3 畫出頂層原理圖，然后進行編譯，波形仿真如圖4所示。

圖3 簡易正弦信號發生器頂層電路設計

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元件符號，以便被頂層設計多功能信號發生器所調用。

　　2 其他信號部分原程序

　　其他各信號發生器可參照正弦信號發生器的設計方法設計或直接采用VHDL 硬件描述語言進行設計。

　　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：遞減鋸齒波信號產生模塊signall、遞增鋸齒波信號產生模塊signal2、三角波信號產生模塊signal3、階梯波信號產生模塊signal4、方波信號產生模塊signal5 和數據選擇器mux51。頂層電路的連接如圖5 所示。

圖5 信號發生器頂層電路

4 D/A 轉換器的連接

　　選擇一個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 實現與測試

　　信號發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 時的情況進行仿真，此時輸出波形是方波，輸出的數字信號為周期性的全0 或全1。

圖7 信號發生器頂層電路的仿真波形

　　信號發生器的底層電路模塊也可以分別進行仿真，例如對階梯波信號產生模塊signal4 進行仿真，仿真波形如圖8 所示，輸出的數字信號為階梯狀變化。

圖8 階梯波信號產生模塊signal4 的仿真波形

　　6 結束語

　　硬件電路設計主要是設計相關模塊的設計思想的可視化，是相關模塊的電路圖的匯總和其相關仿真波形的集錦，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設計的原理結構實圖；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，進一步從軟件設計上揭示設計構思，主要包含了整個設計所用到的模塊的硬件描述語言的設計， 本文設計思路清晰，通過QuartusII 軟件進行波形仿真成功，特別是正弦信號發生器的LPM 定制對于編程不是特別強的人員提供另一種途徑來實現，加深理解EDA 的層次設計思想，很好的把握住了教學的改革方向，更好的鍛煉了學生理論聯系實踐的能力。