基于Xilinx FPGA的（組合）波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)

周鈞　陳林輝

【摘 要】本設(shè)計(jì)是將現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA 與DDS 技術(shù)相結(jié)合，以Xilinx的FPGA Basys3開發(fā)板為平臺(tái)，Vivado集成開發(fā)軟件為環(huán)境，利用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)出的組合波形發(fā)生器。將各波形的幅值轉(zhuǎn)化為相位并將其數(shù)字化后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ROM內(nèi)，按照設(shè)定頻率，以相應(yīng)頻率控制字Fre_control為步進(jìn)，對(duì)相位進(jìn)行累加，將累加相位值作為地址，通過(guò)該地址讀取存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換等外圍電路得到所需波形。

【關(guān)鍵詞】FPGA 組合波形發(fā)生器 Vivado

隨著可編程邏輯元器件的越發(fā)普及，F(xiàn)PGA在教學(xué)、生產(chǎn)等方面的用途日益增加。全球最老牌的PLD公司之一的賽靈思公司在2012年發(fā)布了Vivado集成開發(fā)環(huán)境加之近年Basys3開發(fā)設(shè)計(jì)板的問(wèn)世，使得Verilog硬件描述語(yǔ)言越發(fā)受到開發(fā)者的青睞，也使得數(shù)字信號(hào)處理等變得越發(fā)高速和高效。本作品可以產(chǎn)生正弦波，方波，三角波等基本波形及其組合波形，通過(guò)添加波形數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)任意波形。且本作品波形質(zhì)量好，精度高，指標(biāo)可媲美市場(chǎng)上出售的發(fā)生器。

1 總體的結(jié)構(gòu)

圖1所示為作品的總體結(jié)構(gòu)圖，具體表現(xiàn)為：將FPGA綜合而成的數(shù)字量輸出給外圍電路，通過(guò)DA轉(zhuǎn)換和低通濾波，使得數(shù)字信號(hào)變?yōu)槠交哪M信號(hào)，后經(jīng)由前級(jí)差分放大電路和幅度調(diào)節(jié)電路，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

在Vivado上利用Verilog語(yǔ)言變成實(shí)現(xiàn)下面的數(shù)字電路（圖2）。其中系統(tǒng)時(shí)鐘f為100MHz，通過(guò)鎖相環(huán)PLL倍頻后提供給系統(tǒng)的時(shí)鐘fs為200MHz，相位累加器N為28位，這樣步進(jìn)值step就是 ，為了使一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)不少于8個(gè)，我們?nèi)藶樵O(shè)定頻率控制字Fre_control為25位。設(shè)K為頻率控制字的值，則輸出頻率fo= 。圖中的wave是三位變量，那么就有=8種波形，如需添加波形，wave的位數(shù)也需要相應(yīng)增加。

我們的ROM查找表的深度為4096個(gè)點(diǎn)，寬度為12位，滿足采樣精度和DA轉(zhuǎn)換精度，圖3所示為我們其中一種波形（正弦波）的仿真波形。

3 組合波形及其他波形的實(shí)現(xiàn)

組合波形的實(shí)現(xiàn)主要是由基本波形疊加而來(lái)，兩兩疊加波形就是將三種基本波形幅值除以二后進(jìn)行數(shù)字累加，三種波形的疊加則除以三，這樣得到的組合波形和原來(lái)的三種基本波形是同頻同幅的。

另外要想實(shí)現(xiàn)其他波形，我們只需將波形對(duì)應(yīng)的4096個(gè)點(diǎn)添加進(jìn)ROM，在Vavido中添加選擇該波形的程序，然后綜合、實(shí)現(xiàn)、生成bit文件再下載就可以實(shí)現(xiàn)了。

4 步進(jìn)值的設(shè)計(jì)

步進(jìn)值的設(shè)計(jì)是本作品的核心和亮點(diǎn)。我們巧妙利用Basys 3開發(fā)板上的5個(gè)按鍵：將其中之一作為復(fù)位按鍵，兩個(gè)作為加和減的控制鍵，另外兩個(gè)一個(gè)能夠使步進(jìn)值以十倍的速率遞增，另一個(gè)以十倍的速率遞減。最小步進(jìn)值是0.75，然后就是7.5，75，這樣可以使頻率的調(diào)節(jié)更加方便和快捷。

5 結(jié)語(yǔ)

該組合波形發(fā)生器基于Xilinx的Basys 3開發(fā)板，性能穩(wěn)定。具有波形可調(diào)，幅值可調(diào)，頻率可調(diào)，步進(jìn)值可調(diào)以及添加任意波形的功能。另外，我們還增加了掃頻的功能。該作品是一款功能多樣化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，精度準(zhǔn)確，價(jià)格低廉的作品。

參考文獻(xiàn)：

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