基于FPGA LPM多功能信號發(fā)生器設(shè)計

徐運武，周澤湘

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東韶關(guān)512126）

信號發(fā)生器又稱為波形發(fā)生器，是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、通信、控制和教學(xué)實驗等領(lǐng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可維護(hù)性和可操作性不佳。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信號發(fā)生器的設(shè)計制作越來越多的是用計算機(jī)技術(shù)，種類繁多，價格、性能差異很大。用FPGA或CPLD來實現(xiàn)，它的優(yōu)點是可以進(jìn)行功能仿真，而且FPGA和CPLD的片內(nèi)資源豐富，設(shè)計的流程簡單。用FPGA所構(gòu)成的系統(tǒng)來產(chǎn)生波形信號，這個系統(tǒng)既能和主機(jī)系統(tǒng)相連，用相應(yīng)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(chǎn)生模擬信號的輸出和外面的示波器相連[1]。

1 正弦信號發(fā)生器的LPM定制[2]

正弦信號發(fā)生器由計數(shù)器或地址發(fā)生器（6位）、正弦信號數(shù)據(jù)ROM（6位地址線，8位數(shù)據(jù)線，含有64個8位數(shù)據(jù)，一個周期）、原理圖頂層設(shè)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(chǎn)生模塊將產(chǎn)生所需的各種信號，這些信號的產(chǎn)生可以有多種方式，如用計數(shù)器直接產(chǎn)生信號輸出，或者用計數(shù)器產(chǎn)生存儲器的地址，在存儲器中存放信號輸出的數(shù)據(jù)。信號發(fā)生器的控制模塊可以用數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)，用8選1數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)對5種信號的選擇。最后將波形數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。用示波器測試D/A轉(zhuǎn)換器的輸出，可以觀測到5種信號的輸出。

圖1 信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of signal generator

1.1 定制初始化數(shù)據(jù)文件

QuartusII能接受的LPM_ROM模塊中的初始化數(shù)據(jù)文件的格式有兩種：.mif格式文件和.hex格式文件。實際應(yīng)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(diào)出產(chǎn)生ROM數(shù)據(jù)文件大小的選擇窗。根據(jù)64點8位正弦數(shù)據(jù)的情況，可選ROM的數(shù)據(jù)數(shù)Number為64，數(shù)據(jù)寬Word size取8位。單擊OK按鈕，將出現(xiàn)圖2所示的空的.mif數(shù)據(jù)表格，表格中的數(shù)據(jù)格式可通過鼠標(biāo)右鍵單擊窗口邊緣的地址數(shù)據(jù)彈出的窗口選擇。

將波形數(shù)據(jù)填入mif文件表中也可以使用QuartusII以外的編輯器設(shè)計MIF文件，其格式如下：

圖2 .mif數(shù)據(jù)表格Fig.2 Data form of.mif

把上述程序編譯成程序后，可在DOS命令行下執(zhí)行命令：

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_gnt＼data_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(shù)據(jù)線。這里選擇地址線位寬和ROM中數(shù)據(jù)數(shù)分別為6和64；選擇地址鎖存控制信號inclock。

對于地址信號發(fā)生器的設(shè)計。方法一：用VHDL語言設(shè)計6位計數(shù)器，產(chǎn)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(shè)計

按圖3畫出頂層原理圖，然后進(jìn)行編譯，波形仿真如圖4所示。

圖3 簡易正弦信號發(fā)生器頂層電路設(shè)計Fig.3 Top circuit design of the simple sine signal generator

圖4 當(dāng)前工程仿真波形輸出Fig.4 Output of the current engineering simulation waveform

對當(dāng)前設(shè)計通過執(zhí)行Quartus II的命令Create∠Update/Create Symbol Files for Current File，可以為設(shè)計電路建立一個元件符號，以便被頂層設(shè)計多功能信號發(fā)生器所調(diào)用[3]。

2 其他信號部分原程序[4]

3 頂層電路的設(shè)計

將上述6個模塊生成符號，供頂層電路調(diào)用。這些模塊分別是：遞減鋸齒波信號產(chǎn)生模塊signall、遞增鋸齒波信號產(chǎn)生模塊signal2、三角波信號產(chǎn)生模塊signal3、階梯波信號產(chǎn)生模塊signal4、方波信號產(chǎn)生模塊signal5和數(shù)據(jù)選擇器mux51。頂層電路的連接如圖5所示。

4 D/A轉(zhuǎn)換器的連接

選擇一個D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)選擇器的輸出與D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接。D/A轉(zhuǎn)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[5]。

圖5 信號發(fā)生器頂層電路Fig.5 Top circuit of the signal generator

圖6 DAC0832的連接電路Fig.6 Connection circuit of DAC0832

5 實現(xiàn)與測試

信號發(fā)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(jìn)行仿真，此時輸出波形是方波，輸出的數(shù)字信號為周期性的全0或全1。

圖7 信號發(fā)生器頂層電路的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the signal generator top circuit

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

圖8 階梯波信號產(chǎn)生模塊signal4的仿真波形Fig.8 Simulation waveform of module 4 produced by the ladder wave

6 結(jié)束語

硬件電路設(shè)計主要是設(shè)計相關(guān)模塊的設(shè)計思想的可視化，是相關(guān)模塊的電路圖的匯總和其相關(guān)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(shè)計方案的具體模塊和整個設(shè)計的原理結(jié)構(gòu)實圖；程序設(shè)計這一部分主要闡述該設(shè)計的設(shè)計方法與設(shè)計思想，進(jìn)一步從軟件設(shè)計上揭示設(shè)計構(gòu)思，主要包含了整個設(shè)計所用到的模塊的硬件描述語言的設(shè)計，本文設(shè)計思路清晰，

通過QuartusII軟件進(jìn)行波形仿真成功，特別是正弦信號發(fā)生器的LPM定制對于編程不是特別強(qiáng)的人員提供另一種途徑來實現(xiàn)，加深理解EDA的層次設(shè)計思想，很好的把握住了教學(xué)的改革方向，更好的鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力。

[1]王誠，吳繼華，蔡海寧.Altera FPGA/CPLD設(shè)計（高級篇）[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]趙曙光.可編程邏輯器件原理、開發(fā)與應(yīng)用[M].第2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[3]候伯亨，顧新，劉凱.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[4]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[5]刑建平，曾凡泰.VHDL程序設(shè)計[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]Altera.Altera device package information[EB/OL].（2006-09）http://www.doc88.com/p-5420149423.html.

[7]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程—VHDL版[M].第4版.北京：科學(xué)出版社，2010.

[8]焦素敏.EDA應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.