基于FPGA智能函数发生器设计

西安邮电学院毕业设计(论题目:的设计与实现学院:电子工程学院系部:专业:班级:XXX学生姓名:XXXXXX导师姓名:XXX 职称:教授起止时间:毕业设计(论文诚信声明书本人声明:本人所提交的毕业论文《基于 FPGA 的智能函数发生器的设计与实现》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果, 论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注;对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均已在文中以明确方式注明并表示感谢。

本人完全清楚本声明的法律后果, 申请学位论文和资料若有不实之处,本人愿承担相应的法律责任。

论文作者签名:时间:年月日指导教师签名:时间:年月日西安邮电学院毕业设计毕业设计((论文论文任务书学生姓名 XXXXXX指导教师 XXX 职称教授学院电子工程学院系部 XXX 学系专业 XXX 学题目基于 FPGA 的智能函数发生器的设计与实现任务与要求1、了解现有函数发生器工作原理及使用方法。

2、用 VerilogHDL 设计函数发生器,可以实现:方波、正弦波、递增斜波、递减斜波、三角波等。

同时要求幅度可调、同时可以叠加直流分量等。

3、设计 D/A转换器驱动时序。

4、在 FPGA 上下载,并用示波器观测结果。

开始日期 2011年 3月 28日完成日期 2011年 7月 1日主管院长 (签字年月日西安邮电学院毕业设计 (论文论文工作计划学生姓名XXXXXX指导教师 XXX 职称教授学院电子工程学院系部 XXX 学系专业 XXX 学题目基于 FPGA 的智能函数发生器的设计与实现工作进程起止时间工作内容2011.3.28-2011.4.13查阅参考资料和书籍,查找有关不同函数器工作原理, 分析各中函数发生器优缺点2011.4.14-2011.5.11根据以上分析确定设计方案,设计该函数发生器的硬件电路2011.5.12-2011.5.25调试硬件电路2011.5.26-2011.6.7撰写论文2011.6.8-2011.7.1老师审核论文,修改论文,准备答辩主要参考书目(资料[1]Bar-Giora Goldberg. Digital Frequency Synthesis Demystified. LLH Technology Publishing.1999.[2]王金明,杨吉斌 . 数字系统设计与 Verilog HDL. 电子工业出版社 .2002.[3]夏宇闻 . Verilog 数字系统设计教程 . 北京航空航天大学出版社 .2003.[4]罗杰 .Verilog HDL 与数字 ASIC 设计基础 . 华中科技大学出版社 .2008.主要仪器设备及材料[1]FPGA 开发版[2]计算机[3]Quartus[4]ModelSim论文(设计过程中教师的指导安排对计划的说明西安邮电学院毕业设计(论文开题报告系(部班课题名称 :基于 FPGA 的智能函数器的设计与实现学生姓名:XXXXXX 学号:04074082指导教师:报告日期:1.本课题所涉及的问题及应用现状综述函数发生器可以是一种多波形的信号源,它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波, 甚至任意波形。

第13卷第3期2010年7月西安文理学院学报：自然科学版Journal of Xi ，an University of Arts ＆Science （Nat Sci Ed ）Vol．13No．3Jul．2010文章编号：1008-5564（2010）03-0054-03收稿日期：2009-08-26基金项目：福建省教育厅基金资助项目（No ：JA06031）作者简介：林金阳（1981—），男，福建莆田人，福建工程学院电子电气系讲师，硕士．研究方向：电路设计．基于FPGA 的智能函数发生器的设计林金阳（福建工程学院电子电气系，福建福州350108）摘要：介绍了一种基于FPGA 的智能函数发生器的设计．采用EDA 技术对此设计进行功能仿真和时序仿真，在EDA /SOPC 系统开发平台上实现程序下载，同时在示波器上观察波形输出．结果表明采用该设计能够生成递增斜波、递减斜波、方波、三角波、正弦波及阶梯波等，并可以对频率进行调节，实现了信号发生器的功能．关键词：函数发生器；FPGA ；EDA中图分类号：TP212．6文献标识码：A0引言在教学实验和测试中，经常需要用到含有特定频率和幅度的任意函数波形，而这时候往往需要使用函数发生器作为信号源，在其他领域，包括自动控制系统设计、通信等领域，经常需要高精度、高频率且频率可方便调节的正弦波、方波、三角波等信号作为信号源．但目前常见的函数发生器要么是采用分立元件，但系统不够稳定，要么是采用专用芯片，但成本过高，均有很大的局限性［1－2］．FPGA 是一种可编程的逻辑芯片，它的应用使得数字电路系统设计变的非常的方便，它不但可以缩短开发周期，还可以进行片上系统设计，提高了系统的可靠性等，目前在电子设计领域有着广泛的应用．用FPGA 完成函数发生器的方法与传统的方法相比较，硬件结构是简单的，大大减小了它的体积和重量，节去传统的烦琐的硬件设计．本设计的智能函数发生器易于使用，可以通过按钮选择波形，也可以通过频率或幅度的调节产生能够满足不同人不同场合需要的波形输出［3］．1智能函数发生器的原理与结构正弦波的产生原理对是基于那奎斯特采样定律，先对模拟信号采集，经量化后存入查表中，再由想为累加器产生地址，通过对查表寻址，得到离散化波形序列，最后经D /A 转换输出模拟波形．方波的产生是在输出波形的前半周期输出低电平，后半周期输出高电平，从而得到占比为50%的方波信号．三角波的产生是在输出波形的前半周期内从0累加到最大值255（8位），在后半周期从最大值递减到0来实现的，阶梯波是以一定的常数递增的等．通过所设计的函数发生器可以得到递增斜波、递减斜波、方波、三角波、正弦波及阶梯波六种波形．这些波形的产生都是通过FPGA 的核心芯片，各种运算都在FPGA 中进行，直接输出选择的波形．其总的结构示意图如图1所示：其中通过plkz 端口可进行对输入时钟进行分频，可以克服时钟频率过大的问题，同时也可以控制55第3期林金阳：基于FPGA的智能函数发生器的设计波形的周期．RESET是用于复位的，而SEL是用于波形的选择．通过fd端口可以对波形进行幅度调节．各个计数器单元可以使plkz，fd，sel的端口设置只需一个开关即可控制．通过了FPGA芯片和DAC0832就可以得到波形的输出．其中FPGA是函数发生器系统结构中的核心．从DAC0832输出的是电流，如要在DAC0832输出端输出电压，可以用一个运算放大器，对输出波形进行I/V转换，在放大器的输入端加一个可变电阻，即可得到所需幅值［4］．图1函数发生器结构图2函数发生器的仿真设计设计的函数发生器就是为了得到递增斜波、递减斜波、方波、三角波、正弦波及阶梯波六种波形，并可通过按钮选择输出波形，频率控制，幅度控制．控制功能有：复位功能、波形选择功能、输入时钟控制、频率控制功能和幅度控制功能．后输出8位的数据到数据选择模块中，通过按钮发出选择数据的指令，3选1的数据选择器选择相应的数据进行输出，把这些数据输入D/A模块中，通过D/A模块对数据转换，在它的输出端就可得到相应的波形．下面以阶梯波为例：阶梯波产生模块（ladder）设计与仿真核心程序如下：PROCESS（clk，reset，fd）VARIABLE tmp：STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）；VARIABLE a：STD_LOGIC；BEGINIF reset=‘0’THENtmp：=“00000000”；ELSIF clk‘EVENT’AND clk=‘1’THENIF a=‘0’THEN－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－a为‘0’时跳跃IF tmp＞=fd THEN－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－达到幅值从新开始tmp：=“00000000”；a：=‘1’；ELSEtmp：=tmp+16；－－－－－－－－－－－－－－－－－－阶梯常数为16a：=‘1’；END IF；ELSEa：=‘0’；－－－－－－－－－－－－－为‘1’时，一时钟后自动跳为‘0’西安文理学院学报：自然科学版第13卷END IF ；END IF ；q ＜=tmp ；END PROCESS ；图2阶梯波的仿真图图2为阶梯波的仿真图，每次阶梯常数为16．图3阶梯波的输出图形3下载和测试在顶层的设计文件中，需要对FPGA 的工作频率和DAC 的工作频率进行匹配［5］，才能保证波形的正常输出，利用Quartus 对网表文件进行适配，产生FPGA 目标器件的编程和配置文件．最后锁定引脚，把．sof 文件下载到目标器件中，在DAC 的输出端接入示波器，可以看到递增斜波、递减斜波、方波、三角波、正弦波及阶梯波的输出，通过频率健或幅度健，也可以对频率或幅度进行调整，达到了设计的要求．图3是阶梯波的示波器截图．4结论基于FPGA 的智能函数发生器的设计，是充分利用了FPGA 技术优点，整个设计简洁，调试方便，输出的波形稳定，可靠性好，而且又便于修改和扩充其功能，达到函数信号发生的功能要求．［参考文献］［1］梁向红．智能函数发生器的VHDL 设计与仿真［J ］．江苏工业学院学报，2008，20（1）：66－69．［2］任志平，党瑞荣．基于EDA 技术的智能函数发生器的设计［J ］．科学技术与工程，2008，8（4）：1076－1078．［3］郝小江，罗彪．基于FPGA 的函数发生器［J ］．电测与仪表，2008，45（509）：49－51．［4］侯伯亨，顾新．VHDL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计［M ］．西安：西安电子科技大学出版社，1999．［5］潘松，黄继业．EDA 技术实用教程［M ］．北京：科学出版社，2006．［责任编辑王新奇］Design of Intelligent Function Generator Based on FPGALIN Jin-yang（Department of Electronic Information and Electrical Engineering ，Fujian University of Technology ，Fuzhou 350108，China ）Abstract ：This paper introduces the design of an intelligent function generator based on FPGA．The function and timing simulation is processed by EDA technology．The program is downloaded on the EDA/SOPC system develop-ment platform and the output is observed on the oscilloscope．The result shows that the design can be used to gener-ate incremental ramp wave ，descending ramp wave ，square wave ，triangle wave ，sine wave and ladder wave etc．，and the frequency can be adjusted flexibly．The goal of the function signal generator is achieved．Key words ：function generator ；EDA ；FPGA 65。

基于FPGA的函数信号发生器的设计报告课题要求1、技术要求（EDA技术，VHDL语言，层次化设计）（1）EDA发展概况电子设计技术的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。

EDA技术已有30年的发展历程，大致可分为三个阶段。

70年代为计算机辅助设计(CAD)阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。

80年代为计算机辅助工程(CAE)阶段。

与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。

CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。

90年代为电子系统设计自动化(EDA)阶段。

中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PC主板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员开发复杂的片上系统器件。

为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要购入一些最新的EDA技术。

在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国。

但各国也正在努力开发相应的工具。

日本、韩国都有ASIC 设计工具，但不对外开放。

中国华大集成电路设计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。

相信在不久的将来会有更多更好的设计工具有各地开花并结果。

据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年复合增长率分别达到了50%和30%。

EDA技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。

EDA技术的应用广泛，现在已涉及到各行各业。

EDA水平不断提高，设计工具趋于完美的地步。

EDA市场日趋成熟，但我国的研发水平还很有限，需迎头赶上（2）VHDL语言简介ＶＨＤＬ是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级。

浅议基于FPGA的函数信号发生器的系统设计
唐斌
【期刊名称】《信息技术与信息化》
【年(卷),期】2015(000)009
【摘要】本系统设计的是基于FPGA的函数信号发生器，产生频率可调的正弦波、方波、三角波和锯齿波。

本系统以DAC904，OPA2830为主控制芯片，以现场可编程门阵列（FPGA）作为硬件基础。

设计函数信号发生器，直接数字频率合成（DDS）就是预先设定一定数量的波形信号数据，已二进制数据的方式存放在ROM中，通过手动设定所要求的输出信号波形种类以及频率大小（峰值电压通过精密电位器调节），预先存储的二进制数据经过读取输出，再经过DAC904数/模转换和运放OPA2830放大，最后通过RC/LC滤波器滤波后得到所需信号的波形，查表合成波形的方法可以满足产生任意波形的要求。

本文的目的是研究函数信号发生器的设计方法，在精度要求不是特别高的情况下，寻找一种较为便利的方法获取想要的信号波形。

【总页数】2页(P210-210,211)
【作者】唐斌
【作者单位】桂林市信息化工业化融合办公室广西桂林 541000
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于FPGA的函数信号发生器设计 [J], 黄鹏勇
2.基于FPGA的DDFS函数信号发生器设计 [J], 黄丽
3.基于FPGA的函数信号发生器的实现 [J], 黄毓芯
4.基于FPGA的三通道函数信号发生器 [J], 胡善伟
5.基于FPGA的函数信号发生器设计 [J], 王译平
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于FPGA的函数发生器基于FPGA的智能函数发生器的设计学生姓名：X X学生学号：2 0 XXXXXXXXX一、设计要求1.设计一个能产生递增、递减斜波，方波，三角波，正弦波，阶梯波智能函数发生器；2.要求能自主选择输出波形，并能调整输出频率。

二、设计原理递增、递减斜波是以一定常数递增、递减来产生的。

三角波的产生是在输出波形的前半周期内从0累加到最大值255（8位），在后半周期从最大值递减到0来实现的。

阶梯波阶梯波是以一定的常数递增的。

正弦波的产生原理是基于奈奎斯特采样定律，先对模拟信号采集，经过量化后存入查表中，再由相位累加器产生地址，通过对查表寻址，得到离散化波形序列，最后经过D/A转换输出模拟波形。

方波的产生是在输出波形的前半周期输出低电平，后半周期输出高电平，从而得到占空比为50%的方波信号。

通过所设计的智能函数发生器可以得到递增、递减斜波，方波，三角波，正弦波和阶梯波六种波形，这些波形的产生都是通过FPGA 的核心芯片，各种运算都在FPGA中进行，直接输出选择的波形。

三、设计内容与步骤设计的智能函数发生器就是为了得到得到递增、递减斜波，方波，三角波，正弦波和阶梯波六种波形，可以通过按钮来选择输出波形，并且具有复位的功能。

智能函数发生器总体框图如图1.1所示；图中输入CLK为时钟信号，用于调整输出波形的频率；输入RESET为复位信号；输入SEL[2..0]为选择信号，用于选择输出波形；输出Q接在D/A转换的数据端，就可以在D/A转换器的输出端得到各种不同的函数波形。

图1.1 智能函数发生器总体框图1.递增斜波模块的设计：递增斜波模块ZENG见图1.2。

它是递增斜波产生模块。

图1.2 模块ZENG递增斜波模块ZENG的VHDL程序设计：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY ZENG ISPORT(CLK,RESET:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));END ZENG;ARCHITECTURE ZENG_ARC OF ZENG ISBEGINPROCESS(CLK,RESET)V ARIABLE TMP:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGINIF RESET='0' THENTMP:="00000000";ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THENIF TMP="11111111" THENTMP:="00000000";ELSETMP:=TMP+1;END IF;END IF;Q<=TMP;END PROCESS;END ZENG_ARC;2.递减斜波模块的设计：递减斜波模块JIAN见图1.3。

基于FPGA的函数信号发生器的设计与实现摘要波形发生器己成为现代测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，代表了信号源的发展方向。

直接数字频率合成(DDS)是二十世纪七十年代初提出的一种全数字的频率合成技术，其查表合成波形的方法可以满足产生任意波形的要求。

由于现场可编程门阵列(FPGA)具有高集成度、高速度、可实现大容量存储器功能的特性，能有效地实现DDS技术，极大的提高函数发生器的性能，降低生产成本。

本文首先介绍了函数波形发生器的研究背景和DDS的理论。

然后详尽地叙述了用FPGA完成DDS模块的设计过程，接着分析了整个设计中应处理的问题，根据设计原理就功能上进行了划分，将整个仪器功能划分为控制模块、外围硬件、FPGA器件三个部分来实现。

最后就这三个部分分别详细地进行了阐述。

本文利用Altera的设计工具QuartuSH并结合VeI’i1og一HDL语言，采用硬件编程的方法很好地解决了这一问题。

论文最后给出了系统的测量结果，并对误差进行了一定分析，结果表明，，、三角波、锯齿波、方波，通过实验结果表明，本设计达到了预定的要求，并证明了采用软硬件结合，利用FPGA技术实现波形发生器的方法是可行的。

关键词:函数发生器，直接数字频率合成，现场可编程门阵列The Design and Realize of DDS Based on FPGAAbstractArbitrary Waveform Generator(AWG) is one of the most popular instruments in modern testing domains，Which represents the developing direction of signal sources· Direct Digital frequency Synthesis(DDS) advance dearly in full digital technology for frequency synthesis，its LUT method for synthes waveform .Adapts togenerate arbitrary Waveform· Field programable GateArray(FPGA)has the feature sof Iargeseale integration,high working frequency and ean realize lal’ge Memory,50FPGAeaneffeetivelyrealizeDDS.The of Corporation Altera ehosen to do the main digitalProcessing work，which based on its large sale and highs Peed. The 53C2440MCU ehosenasa control ehip· Inthisdesign,how to design the fpga chip and theInter faee between the FPGA and the control ehiP the the method ofSoftware and hardware Programming,the design used the software Quartus11 and languageverilog一HDL solves ，the PrineiPle of DDS and Basis of EDA technology introdueed Problem is the design are analyzed and the whole fun into three Parts:masterehiP，FPGA deviee and PeriPheral three Parts are described indetail disadvantage and thing sneed toadv anceareal Of the dissertation,or asquare wave with in the frequency rangeto20MHz .Planed and the way to use software and hardware Programming method and DDS Technology to realize Functional Waveform Generatoravailable.Keywords:DDS;FPGA;Functional Waveform Generator目录第一章绪论 ................................................ IV ............................................................................................................... IV ................................................................................................................. V ......................................................................................................... V....................................................................................................... VI .............................................................................................................. VII ...................................................................................................... VIIDMA输出方式.......................................................................... VII...................................................................................................... VII..................................................................................................... V III 第二章直接数字频率合成器的原理及性能 ................................................ I .................................................................................................................. I .......................................................................................................... I......................................................................................................... I I DDS原理 ............................................................................................. I II 第三章基于FPGA的DDS模块的实现 .......................................................... I (FPGA)简介 ............................................................................................. I II软件并建立工程 ....................................................................... I I新建Block Diagram/Schematic File并添加模块电路。

目录摘要 (1)第一章概述 (1)第二章EDA技术 (1)2.1 EDA的论述 (1)2.2 EDA的开发流程 (2)2.3 EDA的开发工具 (4)第三章控制系统的硬件结构设计 (4)3.1函数信号发生器系统的原理 (5)3.2函数信号发生器的硬件结构 (5)第四章控制系统的软件设计 (7)4.1函数信号发生器软件设计 (7)4.2函数信号发生器功能模块的设计 (8)4.3函数信号发生器顶层设计 (17)第五章控制系统的调试与运行 (18)5.1函数信号发生器的调试 (18)5.2下载设计到目标器中运行 (22)第六章结束语 (24)参考文献 (24)致谢 (24)摘要：应用EDA技术完成一个电子产品的设计, 以 FPGA芯片中集成一个在电子生产或检测中通常用到函数信号发生器。

在QUARTUSⅡ软件开发平台,输入原理图或硬件描述语言HDL完成的设计文件,系统将自动地完成逻辑编译、综合、仿真、目标芯片的适配编译、下载等的工作。

设计的工作是利用编程的方式来进行对系统的功能的描述,在EDA工具的帮助下，应用相应的可编程器件，实现设计的最终结果。

使常用到的函数信号发生器微型化,设计简单化,使用简单化。

关键词: FPGA芯片EDA技术QUARTUSⅡ第一章概述概述EDA（electronic design automation,电子设计自动化）技术是现代电子工程领域的一门新技术。

它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。

EDA技术的发展和推广应用极大地推动了电子工业的发展，随着EDA技术的发展，硬件电子电路的设计几乎全部可以依靠计算机来完成。

这样就大大缩短了硬件电子电路设计的周期从而使制造商可以快速开发出品种多批量小的产品，以满足市的众多需求。

EDA技术的推广是当今世界的一个技术热点。

EDA技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术。

1.本课题的方案的特点与优势本设计是基于FPGA的多种波形的函数信号发生器而展开的，一个由传统的方法要有不少电子原件组合才能实现的功能，现在用极少器件就可以实现，采用ALTERA公司生产的FPGA为函数信号发生器的处理器，再经过DAC的转换，得出相应的波形。