畢業(yè)設(shè)計(jì)---信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言2</b></p><p>　　2 信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的總體方案3</p><p>　　2.1 信號(hào)發(fā)生器的原理3</p><p>　　2.2 EDA技術(shù)5</p><p>　　2.3

2、 Verilog HDL的設(shè)計(jì)流程9</p><p>　　2.4 EDA工具9</p><p>　　2.5 基于FPGA的設(shè)計(jì)原理11</p><p>　　3 信號(hào)發(fā)生器的硬件電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1 實(shí)現(xiàn)三種波形（正弦波、方波和鋸齒波）的算法15</p><p>　　3.2 系統(tǒng)

3、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)16</p><p>　　4 信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1 程序的流程圖20</p><p>　　4.2 各個(gè)功能模塊的Verilog程序?qū)崿F(xiàn)20</p><p>　　5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析25</p><p>　　5.1 系統(tǒng)測(cè)試25</p>&l

4、t;p>　　5.2 信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻譜特性分析28</p><p>　　5.3 設(shè)計(jì)中的幾個(gè)難點(diǎn)及解決辦法32</p><p>　　5.4 設(shè)計(jì)中的不足之處及改進(jìn)辦法33</p><p><b>　　結(jié) 論34</b></p><p><b>　　致 謝35</b>&

5、lt;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　附件A36</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生器作為一種基本電子設(shè)備，無(wú)論是在教學(xué)、科研還是在部隊(duì)技術(shù)保障中，都有著廣泛的使用。信號(hào)發(fā)生器作為一種

6、通用電子測(cè)試儀器是軍隊(duì)進(jìn)行科技戰(zhàn)爭(zhēng)不可缺少的一種測(cè)試儀器。因此，從理論到工程對(duì)信號(hào)的發(fā)生進(jìn)行深入研究，不論是從教學(xué)科研角度，還是從部隊(duì)技術(shù)保障服務(wù)角度出發(fā)都有著積極的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)信號(hào)發(fā)生器的要求越來(lái)越高，普通的信號(hào)發(fā)生器已無(wú)法滿足目標(biāo)高、頻率切換速度快、切換相位連續(xù)、輸出信號(hào)噪聲低、可編程、全數(shù)字化易于集成、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　1971年，美國(guó)學(xué)者J.Tie

7、rney等人撰寫(xiě)的“A Digital Frequency Synthesizer”一文首次提出了以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新合成原理。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件產(chǎn)能，它的性能指標(biāo)尚不能與已有的技術(shù)盯比，故未受到重視。近幾年間，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱DDS或DDFS)得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特

8、點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價(jià)比。</p><p>　　根據(jù)DDS的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于信號(hào)發(fā)生器，可以大大提高信號(hào)發(fā)生器的分辨率，而且可以有效的降低成本、縮小體積。</p><p>　　本設(shè)計(jì)用硬件描述語(yǔ)言Verilog來(lái)編程，用Al

9、tera公司的開(kāi)發(fā)平臺(tái)QUARTUSⅡ6.0來(lái)仿真，最后下載到StratixⅡ系列的EP2S60器件中進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　本設(shè)計(jì)第二部分說(shuō)明了信號(hào)發(fā)生器的功能框圖，并進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。另外，本設(shè)計(jì)還說(shuō)明了EDA設(shè)計(jì)的基本方法、Verilog HDL設(shè)計(jì)的流程和EDA工具等。在硬件電路設(shè)計(jì)部分，主要說(shuō)明了信號(hào)發(fā)生器的原理圖、各個(gè)功能模塊的硬件實(shí)現(xiàn)方法。第四部分主要說(shuō)明了各功能模塊的Verilog 實(shí)現(xiàn)，

10、并給出了關(guān)鍵的功能模塊的代碼。最后，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果分析，并對(duì)輸出波形進(jìn)行了誤差分析。</p><p>　　2 信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的總體方案</p><p>　　2.1 信號(hào)發(fā)生器的原理</p><p>　　本設(shè)計(jì)是基于直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer)原理的信號(hào)發(fā)生器。它是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率

11、合成技術(shù)。一個(gè)信號(hào)發(fā)生器由相位累加器、加法器、波形選擇器、波形存儲(chǔ)ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)構(gòu)成。信號(hào)發(fā)生器的原理框圖如圖2.1所示?！?lt;/p><p>　　圖2.1 信號(hào)發(fā)生器的原理圖</p><p>　　其中為頻率控制字、為相位控制字、為波形控制字、為參考時(shí)鐘頻率，為相位累加器的字長(zhǎng)，為ROM數(shù)據(jù)位及D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。相位累加器在時(shí)鐘的控制下以步長(zhǎng)作累加，輸出的位二

12、進(jìn)制碼與相位控制字、波形控制字相加后作為波形ROM的地址，對(duì)波形ROM進(jìn)行尋址，波形ROM輸出位的隔度碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成階梯波，再經(jīng)過(guò)低通濾波器平滑后就可以得到合成的信號(hào)波形。合成的信號(hào)波形形狀取決于波形ROM中存放的幅度碼，因此用信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生任意波形。 </p><p>　　2.1.1 頻率預(yù)置與調(diào)節(jié)電路</p><p>　　被稱為頻率控制字，也叫相位增量。信號(hào)發(fā)生器的輸出頻

13、率為：，為時(shí)鐘頻率。當(dāng)時(shí)，信號(hào)發(fā)生器的輸出最低頻率（也即頻率分辨率）為而信號(hào)發(fā)生器的最大輸出頻率由Nyquist采樣定理決定，即，也就是說(shuō)的最大值為。因此，只要足夠大，信號(hào)發(fā)生器可以得到很細(xì)的頻率間隔。要改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，只要改變頻率控制字即可。</p><p>　　2.1.2 累加器 <

14、/p><p>　　相位累加器由位加法器與位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器將頻率控制字與寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，再把相加后的結(jié)果送至寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在不到一個(gè)時(shí)鐘作用不繼續(xù)與頻率控制字進(jìn)行相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行相位累加。當(dāng)相位累加器累加滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作。累加器原理如圖2.2

15、所示。</p><p>　　圖2.2 累加器原理圖</p><p>　　2.1.3 控制相位的加法器</p><p>　　通過(guò)改變相位控制字可以控制輸出信號(hào)的相位參數(shù)。令相位加法器的字長(zhǎng)為，當(dāng)相位控制字由0躍變到時(shí)，波形存儲(chǔ)器的輸入為相位累加器的輸出與相位控制字之和，因而其輸出的幅度編碼相位會(huì)增加，從而使最后輸出的信號(hào)產(chǎn)生相移。</p><p

16、>　　2.1.4 控制波形的轉(zhuǎn)換器</p><p>　　通過(guò)改變波形控制字可以控制輸出信號(hào)的波形。由于波形存儲(chǔ)器中的小同波形是分塊存儲(chǔ)的，所以當(dāng)波形控制字改變時(shí)，波形存儲(chǔ)器的輸入為改變相位后的地址與波形控制字（波形地址）之和，從而使最后輸出的信號(hào)產(chǎn)生相移。</p><p>　　2.1.5 波形存儲(chǔ)器</p><p>　　用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器

17、的取樣地址，進(jìn)行波形的相位－隔值轉(zhuǎn)換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形的抽樣幅值。位的尋址ROM相當(dāng)于把0到的正弦信號(hào)離散成具有個(gè)樣值的序列，若波形ROM有位數(shù)據(jù)位，則個(gè)樣值的隔值以位一進(jìn)制數(shù)值固化在ROM中，按照地址的不同可以輸出相應(yīng)相位的正弦信號(hào)的幅值。相位一幅度變換原理圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 相位—幅度變換原理圖</p><p>　　2.1.6 D/A轉(zhuǎn)

18、換器</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器的作用是把合成的正弦波數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。正弦幅度量化序列經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成了包絡(luò)為正弦波的階梯波。需要注意的是，頻率合成器對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率有一定的要求，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高，合成的正弦波臺(tái)階數(shù)就越多，輸出的波形的精度也就越高。</p><p>　　2.1.7 低通濾波器</p><p>　　對(duì)D/A輸出的階梯波進(jìn)行

19、頻譜分析，可知中除主頻外，還存在分布在，2···兩邊處的非諧波分量，隔值包絡(luò)為辛格函數(shù)。因此，為了取出主頻，必須在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端接入截止頻率為的低通濾波器。</p><p>　　2.2 EDA技術(shù)</p><p>　　2.2.1 EDA設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)</p><p>　　EDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，它的基本特征

20、是：設(shè)計(jì)人員按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)，然后采用硬件描述語(yǔ)言(HDL)完成系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件，這樣的設(shè)計(jì)方法被稱為高層次的電子設(shè)計(jì)方法。下面介紹與EDA基本特征有關(guān)的幾個(gè)概念。</p><p>　　a)“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　10年前，電子設(shè)計(jì)

21、的基本思路還是選用標(biāo)準(zhǔn)集成電路“自底向上”地構(gòu)造出一個(gè)新的系統(tǒng)，這樣的設(shè)計(jì)方法就如同一磚一瓦建造金字塔，不僅效率低、成本高而且容易出錯(cuò)。</p><p>　　高層次設(shè)計(jì)是一種“自頂向下”的全新設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在方框圖一級(jí)進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)，并用硬件描述語(yǔ)言對(duì)高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證。然后，用綜合優(yōu)化工具生成具體門(mén)電路的網(wǎng)絡(luò)表，其對(duì)應(yīng)的

22、物理實(shí)現(xiàn)級(jí)可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐?。由于設(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過(guò)程是在高層次上完成的，這既有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi)，又減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一次成功率。</p><p><b>　　b) ASIC設(shè)計(jì)</b></p><p>　　現(xiàn)代電子產(chǎn)品的復(fù)雜度日益提高，一個(gè)電子系統(tǒng)可能由數(shù)萬(wàn)個(gè)中小規(guī)模集成電路構(gòu)成，這就帶來(lái)了體積大

23、、功耗大、可靠性差的問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的有效方法就是采用ASIC芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。ASIC按照設(shè)計(jì)方法的不同可分為全定制ASIC、半定制ASIC和可編程ASIC（也稱為可編程邏輯器件）。</p><p>　　設(shè)計(jì)全定制ASIC芯片時(shí)，設(shè)計(jì)師要定義芯片上所有晶體管的幾何圖形和工藝規(guī)則，最后將設(shè)計(jì)結(jié)果交由IC廠家去進(jìn)行掩模制造，做出產(chǎn)品。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低，而缺點(diǎn)是

24、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，只適合大批量產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。</p><p>　　半定制ASIC芯片的版圖設(shè)計(jì)方法分為門(mén)陣列設(shè)計(jì)法和標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)法，這兩種方法都是約束性的設(shè)計(jì)方法，其主要目的就是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，以犧牲芯片性能為代價(jià)來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。</p><p>　　可編程邏輯芯片與上述掩模ASIC的不同之處在于：設(shè)計(jì)人員完成版圖設(shè)計(jì)后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)就可以燒制出自己的芯片，無(wú)須IC廠家的參與，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。&

25、lt;/p><p>　　可編程邏輯器件自70年代以來(lái)，經(jīng)歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個(gè)發(fā)展階段，其中CPLD/FPGA屬高密度可編程邏輯器件，目前集成度已高達(dá)200萬(wàn)門(mén)/片，它將掩模ASIC集成度高的優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)生產(chǎn)方便的特點(diǎn)結(jié)合在一起，特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，使產(chǎn)品能以最快的速度上市，而當(dāng)市場(chǎng)擴(kuò)大時(shí)，它可以很容易地轉(zhuǎn)由掩模ASIC實(shí)現(xiàn)，因此開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)也大為降低。</p>

26、<p>　　上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成為現(xiàn)代高層次電子設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)載體。</p><p><b>　　c) 硬件描述語(yǔ)言</b></p><p>　　硬件描述語(yǔ)言(HDL)是一種用于設(shè)計(jì)硬件電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它用軟件編程的方式來(lái)描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式，與傳統(tǒng)的門(mén)級(jí)描述方式相比，它更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

27、例如一個(gè)32位的加法器，利用圖形輸入軟件需要輸入500至1000個(gè)門(mén)，而利用VHDL語(yǔ)言只需要書(shū)寫(xiě)一行“A=B＋C”即可。而且VHDL語(yǔ)言可讀性強(qiáng)，易于修改和發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。早期的硬件描述語(yǔ)言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA廠商開(kāi)發(fā)，互不兼容，而且不支持多層次設(shè)計(jì)，層次間翻譯工作要由人工完成。為了克服以上不足，1985年美國(guó)國(guó)防部正式推出了高速集成電路硬件描述語(yǔ)言VHDL。1987年IEEE采納VHDL為硬件描述語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)(IEE

28、ESTD－1076)。</p><p>　　d) EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)</p><p>　　EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)(Framework)是一套配置和使用EDA軟件包的規(guī)范。目前主要的EDA系統(tǒng)都建立了框架結(jié)構(gòu)，如Cadence公司的DesignFramework和Mentor公司的FalconFramework，而且這些框架結(jié)構(gòu)都遵守國(guó)際CFI組織制定的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)能將來(lái)自不同EDA廠

29、商的工具軟件進(jìn)行優(yōu)化組合，集成在一個(gè)易于管理的統(tǒng)一的環(huán)境之下，而且還支持任務(wù)之間、設(shè)計(jì)師之間以及整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的信息傳輸與共享，是并行工程和自頂向下設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。</p><p>　　2.2.2 EDA設(shè)計(jì)的基本方法</p><p>　　EDA技術(shù)的每一次進(jìn)步，都引起了設(shè)計(jì)層次上的一次飛躍。物理級(jí)設(shè)計(jì)主要指IC版圖設(shè)計(jì)，一般由半導(dǎo)體廠家完成，對(duì)電子工程師沒(méi)有太大的意義，因此本文

30、重點(diǎn)介紹電路級(jí)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　電路級(jí)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電子工程師接受系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)后，首先確定設(shè)計(jì)方案，并選擇能實(shí)現(xiàn)該方案的合適元器件，然后根據(jù)具體的元器件設(shè)計(jì)電路原理圖。接著進(jìn)行第一次仿真，其中包括數(shù)字電路的邏輯模擬、故障分析，模擬電路的交直流分析、瞬態(tài)分析。在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，必須要有元件模型庫(kù)的支持，計(jì)算機(jī)上模擬的輸入

31、輸出波形代替了實(shí)際電路調(diào)試中的信號(hào)源和示波器。這一次仿真主要是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案在功能方面的正確性。</p><p>　　仿真通過(guò)后，根據(jù)原理圖產(chǎn)生的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表進(jìn)行PCB板的自動(dòng)布局布線。在制作PCB板之前還可以進(jìn)行PCB后分析，其中包括熱分析、噪聲及竄擾分析、電磁兼容分析、可靠性分析等，并可將分析后的結(jié)果參數(shù)反標(biāo)回電路圖，進(jìn)行第二次仿真，也稱為后仿真。后仿真主要是檢驗(yàn)PCB板在實(shí)際工作環(huán)境中的可行性。</p

32、><p>　　由此可見(jiàn)，電路級(jí)的EDA技術(shù)使電子工程師在實(shí)際的電子系統(tǒng)產(chǎn)生前，就可以全面地了解系統(tǒng)的功能特性和物理特性，從而將開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)消滅在設(shè)計(jì)階段，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)成本。</p><p><b>　　系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　進(jìn)入90年代以來(lái)，電子信息類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)明顯呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是產(chǎn)品復(fù)雜程度提高；二是產(chǎn)品上市時(shí)限緊迫

33、。然而，電路級(jí)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是基于門(mén)級(jí)描述的單層次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的所有工作（包括設(shè)計(jì)輸入、仿真和分析、設(shè)計(jì)修改等）都是在基本邏輯門(mén)這一層次上進(jìn)行的，顯然這種設(shè)計(jì)方法不能適應(yīng)新的形勢(shì)，一種高層次的電子設(shè)計(jì)方法，也即系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法，應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　高層次設(shè)計(jì)是一種“概念驅(qū)動(dòng)式”設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員無(wú)須通過(guò)門(mén)級(jí)原理圖描述電路，而是針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行功能描述。由于擺脫了電路細(xì)節(jié)的束縛，設(shè)計(jì)人員可以把精力集中于創(chuàng)造性的方案

34、與概念的構(gòu)思上，一旦這些概念構(gòu)思以高層次描述的形式輸入計(jì)算機(jī)，EDA系統(tǒng)就能以規(guī)則驅(qū)動(dòng)的方式自動(dòng)完成整個(gè)設(shè)計(jì)。這樣，新的概念就能迅速有效地成為產(chǎn)品，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。不僅如此，高層次設(shè)計(jì)只是定義系統(tǒng)的行為特性，可以不涉及實(shí)現(xiàn)工藝，因此還可以在廠家綜合庫(kù)的支持下，利用綜合優(yōu)化工具將高層次描述轉(zhuǎn)換成針對(duì)某種工藝優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)表，使工藝轉(zhuǎn)化變得輕而易舉。首先，工程師按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)劃分。其次，輸入Verilog HDL代

35、碼，這是高層次設(shè)計(jì)中最為普遍的輸入方式。此外，還可以采用圖形輸入方式（框圖、狀態(tài)圖等），這種輸入方式具有直觀、容易理解的優(yōu)點(diǎn)。第三步是，將以上的設(shè)計(jì)輸入編譯成標(biāo)準(zhǔn)的Verilog HDL文件。第四步是進(jìn)行代碼級(jí)的功能仿真，主要是檢驗(yàn)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的正確性。這一步驟適用大型設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?duì)于大型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在綜合前對(duì)源代碼仿真，就可以大大減少設(shè)計(jì)重復(fù)的次數(shù)和時(shí)間。一般情況下，這一仿真步驟可略去。第五步是</p><p>　

36、　2.3 Verilog HDL的設(shè)計(jì)流程</p><p>　　現(xiàn)代集成電路制造工藝技術(shù)的改進(jìn)，使得在一個(gè)芯片上集成數(shù)十乃至數(shù)百萬(wàn)個(gè)器件成為可能，但我們很難設(shè)想僅由一個(gè)設(shè)計(jì)師獨(dú)立設(shè)計(jì)如此大規(guī)模的電路而不出現(xiàn)錯(cuò)誤。利用層次化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，一個(gè)完整的硬件設(shè)計(jì)任務(wù)首先由總設(shè)計(jì)師劃分為若干個(gè)可操作的模塊，編制出相應(yīng)的模型（行為的或結(jié)構(gòu)的），通過(guò)仿真加以驗(yàn)證后，再把這些模塊分配給下一層的設(shè)計(jì)師，這就允許多個(gè)設(shè)計(jì)者同

37、時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)硬件系統(tǒng)中的不同模塊，其中每個(gè)設(shè)計(jì)者負(fù)責(zé)自己所承擔(dān)的部分；而由上一層設(shè)計(jì)師對(duì)其下層設(shè)計(jì)者完成的設(shè)計(jì)用行為級(jí)上層模塊對(duì)其所做的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。圖3.3為自頂向下(TOP-DOWN)的示意圖，以設(shè)計(jì)樹(shù)的形式繪出。</p><p>　　自頂向下的設(shè)計(jì)（即TOP_DOWN設(shè)計(jì)）是從系統(tǒng)級(jí)開(kāi)始，把系統(tǒng)劃分為基本單元，然后再把每個(gè)基本單元?jiǎng)澐譃橄乱粚哟蔚幕締卧?，一直這樣做下去，直到可以直接用EDA元件庫(kù)中的元件來(lái)實(shí)

38、現(xiàn)為止。</p><p>　　對(duì)于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)整機(jī)電子產(chǎn)品的單位和個(gè)人來(lái)說(shuō)，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)總是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，先進(jìn)行方案的總體論證、功能描述、任務(wù)和指標(biāo)的分配。隨著系統(tǒng)變得復(fù)雜和龐大，特別需要在樣機(jī)問(wèn)世之前，對(duì)產(chǎn)品的全貌有一定的預(yù)見(jiàn)性。目前，EDA技術(shù)的發(fā)展使得設(shè)計(jì)師有可能實(shí)現(xiàn)真正的自頂向下的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.4 EDA工具</p><p>　　EDA開(kāi)發(fā)

39、工具是指以計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件為工作平臺(tái)，匯集了計(jì)算機(jī)圖</p><p>　　圖2.4 TOP_DOWN設(shè)計(jì)思想</p><p>　　學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)以及人工智能等多種計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的最新成果而開(kāi)發(fā)出來(lái)的用于電子系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在EDA領(lǐng)域，而EDA技術(shù)的關(guān)鍵之一就是EDA開(kāi)發(fā)工具。如果沒(méi)有EDA工具的支持，想要完成大規(guī)模、超大規(guī)模集成

40、電路或復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是不可想象的。</p><p>　　QuartusⅡ是Altera公司推出的最新一代的可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。與原先的MAX+PLUSⅡ相比，它具有更強(qiáng)大的功能，能夠適應(yīng)更大規(guī)模、更復(fù)雜的可編程邏輯器件的開(kāi)發(fā)。</p><p>　　a) 支持多平臺(tái)工作。QuartusⅡ既可以工作于“PC+Microsoft Windows操作系統(tǒng)”或“PC+Red Hat Linu

41、x操作系統(tǒng)”上，又可以在多種工作站上運(yùn)行。</p><p>　　b) 提供與器件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境。QuartusⅡ開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的核心—編譯器(compiler)不僅支持Altera公司原來(lái)的MAX和FLEX等系列的可編程邏輯器件，而且還支持APEX、Excalibur、Mercury、Stratix、Cyclone等新的器件系列，提供了一個(gè)真正與器件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的可編程邏輯開(kāi)發(fā)環(huán)境。設(shè)計(jì)者無(wú)須精通器件內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，只

42、要采用常見(jiàn)的設(shè)計(jì)輸入方法（如原理圖輸入、HDL輸入等）完成對(duì)設(shè)計(jì)的描述，QuartusⅡ就能自動(dòng)地進(jìn)行邏輯綜合和適配，將用戶輸入的設(shè)計(jì)文件編譯成可編程邏輯器件最終需要的編程文件格式。</p><p>　　c) 完全集成化。QuartusⅡ的設(shè)計(jì)輸入、編譯處理、仿真和定時(shí)分析以及編程下載等工具都集成在統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，提高了設(shè)計(jì)的效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期。</p><p>　　d) 具有開(kāi)放的界

43、面。通過(guò)EDIF網(wǎng)表文件、參數(shù)畫(huà)模塊庫(kù)(LPM)、VHDL、Verilog HDL等形式，QuartusⅡ可以與Cadence、MentorGraphic、OrCAD、Synopsys、Synplicity及Viewlogic等許多公司提供的多種EDA工具接口。QuartusⅡ的Nativelink特性使其與其他符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的EDA工具之間的聯(lián)系更加緊密，用戶可以直接在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境中調(diào)用其他的EDA工具來(lái)完成設(shè)計(jì)輸入、綜合、

44、仿真和定時(shí)分析等工作。</p><p>　　e) 支持硬件描述語(yǔ)言。QuartusⅡ支持三種HDL輸入、包括被列入IEEE標(biāo)準(zhǔn)的VHDL（1987版和1993版）和Verilog HDL（1995版和2001版）以及Altera公司自己開(kāi)發(fā)的AHDL。</p><p>　　f) 具有豐富的設(shè)計(jì)庫(kù)。QuartusⅡ提供豐富的庫(kù)單元供設(shè)計(jì)者調(diào)用，其中包括一些基本的邏輯單元（如邏輯門(mén)、觸發(fā)器等）

45、、74系列的器件和多種參數(shù)化的邏輯宏功能(megafunction)模塊（如乘法器、FIFO、RAM等）。調(diào)用庫(kù)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以大大減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，縮短設(shè)計(jì)周期。</p><p>　　g) 提供強(qiáng)大的在線幫助。QuartusⅡ軟件不僅帶有詳細(xì)的使用說(shuō)明，而且還加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)功能，使用戶從軟件內(nèi)部就可以直接通過(guò)Internet獲得Altera公司的技術(shù)支持。</p><p>　　2.5

46、 基于FPGA的設(shè)計(jì)原理</p><p>　　2.5.1 FPGA設(shè)計(jì)的特點(diǎn)</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array)簡(jiǎn)稱FPGA，是大規(guī)?？删幊唐骷?，它具有速度高、規(guī)模大、可編程以及有強(qiáng)大的EDA軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)的支持等特性，而信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件，所以選用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器是十分適合的。</p&g

47、t;<p>　　盡管FPGA、CPLD和其它類型PLD的結(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)和長(zhǎng)處，但概括起來(lái)，它們是由三大部分組成的：</p><p>　　a) 一個(gè)二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成了PLD器件的邏輯組成核心。</p><p>　　b) 輸入/輸出塊。</p><p>　　c) 連接邏輯塊的互連資源。連線資源：由各種長(zhǎng)度的連線線段組成，其中也有一些可編程的連接開(kāi)關(guān)，

48、它們用于邏輯塊之間、邏輯塊與輸入/輸出塊之間的連接。</p><p>　　對(duì)用戶而言，CPLD與FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)稍有不同，但用法一樣，0所以多數(shù)情況下，不加以區(qū)分。</p><p>　　FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，它們除了具有ASIC的特點(diǎn)之外，還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　a) 隨著VLSI(Very Large Scale IC，

49、超大規(guī)模集成電路)工藝的不斷提高單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管， FPGA/CPLD芯片的規(guī)模也越來(lái)越大，其單片邏輯門(mén)數(shù)已達(dá)到上百萬(wàn)門(mén)，它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。</p><p>　　b) FPGA/CPLD芯片在出廠之前都做過(guò)百分之百的測(cè)試，不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)人員只需在自己的實(shí)驗(yàn)室里就可以通過(guò)相關(guān)的軟硬件環(huán)境來(lái)完成芯片的最終功能設(shè)計(jì)。所以， FPGA/CPLD的

50、資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)。</p><p>　　c) 用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動(dòng)的情況下用不同軟件就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。所以，用FPGA/PLD 試制樣片，能以最快的速度占領(lǐng)市場(chǎng)。 FPGA/CPLD軟件包中有各種輸入工具和仿真工具，及版圖設(shè)計(jì)工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。 當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出FP

51、GA/CPLD的優(yōu)勢(shì)。電路設(shè)計(jì)人員使用FPGA/CPLD進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需要具備專門(mén)的IC（集成電路）深層次的知識(shí)， FPGA/CPLD軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計(jì)人員更能集中精力進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。 </p><p>　　本設(shè)計(jì)中用的是StratixⅡ系列器件，現(xiàn)在將對(duì)其做簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>　　StratixⅡ系列是Altera應(yīng)用非常廣泛的產(chǎn)品。這些器件具有比較

52、高的集成度及豐富的寄存器資源，采用了快速、可預(yù)測(cè)延時(shí)的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)，是一種將CPLD和FPGA的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合于一體的器件，具有較高的性價(jià)比。</p><p>　　StratixⅡ系列器件的集成度從幾萬(wàn)門(mén)到幾十萬(wàn)門(mén)，具有業(yè)界首創(chuàng)的自適應(yīng)FPGA體系。StratixⅡ系列器件具有以下一些特點(diǎn)：</p><p>　　a) 高密度。10000到250000典型門(mén)。</p><p&

53、gt;　　b) 功能強(qiáng)大的I/O引腳。每個(gè)引腳都是獨(dú)立的三態(tài)門(mén)結(jié)構(gòu)，具有可編程的速率控制。</p><p>　　c) 嵌入式陣列塊(EAB)。每個(gè)EAB提供2K比特位，可用來(lái)作存儲(chǔ)器使用或者用來(lái)實(shí)現(xiàn)一般的邏輯功能。</p><p>　　d) 邏輯單元采用查找表(LUT)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　e) 具有快速通道(Fast Track)連線，速度快并可預(yù)測(cè)延時(shí)。&

54、lt;/p><p>　　f) 具有實(shí)現(xiàn)快速加法器和計(jì)數(shù)器的專用進(jìn)位鏈和實(shí)現(xiàn)高速、多輸入邏輯函數(shù)的專用級(jí)連鏈。</p><p>　　為了滿足本系統(tǒng)的需要，本設(shè)計(jì)選用Altera公司不久前發(fā)布的嶄新體系的大容量StratixⅡ系列FPGA。本設(shè)計(jì)用了StratixⅡ器件系列的第一個(gè)型號(hào)是EP2S60器件。StratixⅡFPGA是具有業(yè)界首創(chuàng)的自適應(yīng)FPGA體系，在單個(gè)器件中具有雙倍多的邏輯容量，

55、比第一代Stratix器件速度快50%。StratixⅡFPGA采用新的邏輯結(jié)構(gòu)，它由“自適應(yīng)邏輯模塊”(ALM)組成，允許相鄰功能之間共享邏輯。每個(gè)ALM還有兩個(gè)可編程寄存器、兩個(gè)加法器、一個(gè)進(jìn)位鏈、一個(gè)加法樹(shù)鏈和一個(gè)寄存器鏈，這些都能更高效地利用器件的容量。StratixⅡ期間的邏輯是Stratix FPGA的兩倍多，將近180000個(gè)等效邏輯單元(LE)。</p><p>　　2.5.2 FPGA設(shè)計(jì)的原

56、理</p><p><b>　　a) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1) 規(guī)格設(shè)計(jì)。規(guī)格設(shè)計(jì)是系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的第一步，即設(shè)計(jì)者通過(guò)分析用戶的要求，明確系統(tǒng)的功能和應(yīng)達(dá)到的性能指標(biāo)，并以系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)的形式作為用戶與設(shè)計(jì)者之間的協(xié)議和進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。在系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)中，可以用多種形式對(duì)系統(tǒng)的功能和指標(biāo)進(jìn)行說(shuō)明，如文字、圖形、符號(hào)、表達(dá)式以及類似于程序的形式語(yǔ)言等，應(yīng)力求簡(jiǎn)

57、單易懂、無(wú)二義性，并反復(fù)檢查，盡早發(fā)現(xiàn)并糾正潛在的錯(cuò)誤。 </p><p>　　2) 確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案并進(jìn)行系統(tǒng)功能劃分和算法設(shè)計(jì)。這部分工作的結(jié)果通常是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、算法狀態(tài)圖（ASM圖）和必要的文字說(shuō)明。</p><p>　　以上這些富有創(chuàng)造性的工作和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的基本相同，主要依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)造力，仍然需要由設(shè)計(jì)者自己完成，只不過(guò)在基于FPGA的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，

58、這些工作不再受市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件的局限。</p><p>　　3) 高層次描述。一般是采用VHDL、Verilog HDL等高級(jí)硬件描述語(yǔ)言在算法級(jí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行行為描述，有時(shí)也可以采用比較直觀的圖形輸入方式（方框圖、狀態(tài)圖等）。</p><p>　　4) 算法級(jí)功能仿真。主要是檢驗(yàn)系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)的正確性。</p><p>　　b) FPGA芯片設(shè)計(jì)</p>

59、<p>　　1) RTL級(jí)HDL描述。目前高層次的綜合工具還不是很完善，有些行為描述語(yǔ)句還不能被綜合，所以要想利用綜合工具自動(dòng)地將設(shè)計(jì)的HDL描述轉(zhuǎn)化成具體的硬件電路必須針對(duì)具體的綜合工具，將一些高層次的描述轉(zhuǎn)化成可綜合的RTL級(jí)描述。</p><p>　　2) RTL級(jí)功能仿真。檢查RTL級(jí)HDL所描述的系統(tǒng)功能是否正確，一般這一步可以省略。</p><p>　　3) 邏輯綜

60、合。利用綜合工具將RTL級(jí)HDL源代碼轉(zhuǎn)化成門(mén)級(jí)網(wǎng)表，這是將抽象的描述轉(zhuǎn)化為具體硬件電路的關(guān)鍵步驟。</p><p>　　4) 門(mén)級(jí)功能仿真。從系統(tǒng)邏輯功能方面檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。</p><p>　　5) 適配。利用適配器將綜合后的門(mén)級(jí)網(wǎng)表針對(duì)某一具體的目標(biāo)器件進(jìn)行邏輯映射操作，包括底層器件配置、邏輯劃分、布局布線和延時(shí)信息的提取等。適配完成后將產(chǎn)生多項(xiàng)結(jié)果，包括時(shí)延信息的仿真模型、器

61、件編程文件。</p><p>　　6) 時(shí)序仿真和定時(shí)分析。因?yàn)檫m配后的仿真模型中含有器件的實(shí)際硬件特性，如時(shí)延特性，所以時(shí)序仿真和定時(shí)分析的結(jié)果能比較精確地預(yù)期未來(lái)芯片的實(shí)性能。</p><p>　　7) FPGA編程。將適配器產(chǎn)生的器件編程文件通過(guò)編程器件或通過(guò)電纜載入到目標(biāo)芯片中，這樣空白的可編程邏輯器件就成了具有特定功能的FPGA芯片。</p><p>　　

62、3 信號(hào)發(fā)生器的硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 實(shí)現(xiàn)三種波形（正弦波、方波和鋸齒波）的算法</p><p>　　3.1.1 實(shí)現(xiàn)正弦波的算法</p><p>　　理想的正弦波信號(hào)可表示成</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　說(shuō)明在振幅和初相確定后，頻

63、率由相位唯一確定 　</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生器利用式(3.2)中與時(shí)間成線性關(guān)系的原理進(jìn)行頻率合成的，在時(shí)間間隔內(nèi)，正弦信號(hào)的相位增量與正弦信號(hào)的頻率構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系　</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　

64、為了說(shuō)明信號(hào)發(fā)生器的相位量化的工作原理，可將正弦波一個(gè)完整周期內(nèi)相位的變化用相位圓表示，其相位與幅度一一對(duì)應(yīng)，即相位圓上的每一點(diǎn)均對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)特定的幅度值。　</p><p>　　一個(gè)位的相位累加器對(duì)應(yīng)相位圓上個(gè)相位點(diǎn)，其最低相位分辨率為。對(duì)應(yīng)的也有個(gè)幅度值，該幅度值存儲(chǔ)于波形存儲(chǔ)器中，在頻率控制字的作用下，相位累加器給出不同的相位碼（用其高位地址碼）對(duì)波形存儲(chǔ)器尋址，完成相位－幅度的變換，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器變成階梯正

65、弦波信號(hào)，再通過(guò)低通濾波器平滑，便得到模擬正弦波輸出。在圖4.1所示方框圖中的時(shí)鐘電路是由一個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生的，提供信號(hào)發(fā)生器中各部件同步工作。頻率控制字送到位相位累加器中的加法器數(shù)據(jù)輸入端，相位累加器在時(shí)鐘頻率的作用下，不斷對(duì)頻率控制數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累積到滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，累加器的溢出頻率就是信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率。由此可看出，相位累加器實(shí)際上是一個(gè)模數(shù)2為基準(zhǔn)、受頻率數(shù)據(jù)控制字而改變的計(jì)數(shù)器，它累積

66、了每一個(gè)參考周期內(nèi)合成信號(hào)的相位變化，這些相位值的高位對(duì)ROM尋址。在ROM中寫(xiě)入了個(gè)正弦數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)為位。不同的頻率控制字 導(dǎo)致相位累加器的不同相位增量，這樣從ROM輸出的正弦波形的頻率不同，ROM輸出的位二進(jìn)制數(shù)送到DAC進(jìn)行D/A變換，得到量化的階梯形正弦波輸出，最后經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，平滑后得到模擬的正弦波</p><p>　　考慮到正弦函數(shù)的對(duì)稱性：在范圍內(nèi)，正弦函數(shù)已為奇對(duì)稱，在內(nèi)，已為軸對(duì)稱

67、。因此，可以在正弦函數(shù)表中只存儲(chǔ)角度在</p><p>　　的函數(shù)值，并且這些值都是正值。這樣，通過(guò)一個(gè)正弦表的前1/4周期就可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)變換得到正弦的整個(gè)周期碼表，節(jié)省了將近3/4的資源，非?？捎^。</p><p>　　3.1.2 實(shí)現(xiàn)方波的算法</p><p>　　方波是這三種波形中最容易實(shí)現(xiàn)的波形。它無(wú)需像實(shí)現(xiàn)正弦波那樣需要制表，可以用直接賦值的方法實(shí)現(xiàn)，而

68、且修改的方法也很簡(jiǎn)單，只要判斷相位累加器中數(shù)據(jù)的大?。寒?dāng)數(shù)據(jù)小于1000 0000 0000 0000（二進(jìn)制數(shù)）時(shí)，使輸出為正值；當(dāng)數(shù)據(jù)大于1000 0000 0000 0000（二進(jìn)制數(shù)）時(shí)，使輸出為零。當(dāng)需要調(diào)節(jié)方波的幅度時(shí)，只要改動(dòng)輸出的正數(shù)值即可。</p><p>　　3.1.3 鋸齒波的實(shí)現(xiàn)算法</p><p>　　在實(shí)現(xiàn)鋸齒波時(shí)，也可以采用查表的方法，這樣就需要制表，因此需

69、要占用FPGA的存儲(chǔ)器資源。在這里，本設(shè)計(jì)用另一種方法實(shí)現(xiàn)鋸齒波：將相位累加器的低幾位（根據(jù)需要）直接送DAC輸入，就可產(chǎn)生鋸齒波。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.2.1 參數(shù)選取</p><p>　　由已知條件=16，=8，= 66.54MHz，存儲(chǔ)器容量2K可知：</p><p>　　a) 存儲(chǔ)器

70、可分為64×8 bit使用。</p><p>　　b) 頻率步進(jìn)，此時(shí)。</p><p>　　c) 最大頻率=33.27MHz，然而，此時(shí)每周期只采樣2點(diǎn)，難以保證輸出精度。為了保持輸出精度，規(guī)定最低每周期采樣4點(diǎn)，此時(shí)==4096，=16.635MHz。但本設(shè)計(jì)只要求輸出頻率范圍為1KHz~1MHz。</p><p><b>　　d) 相位步進(jìn)

71、。</b></p><p>　　綜上所述，正弦波形存儲(chǔ)器存儲(chǔ)64個(gè)7位采樣點(diǎn):頻率控制，頻率步進(jìn)（最小輸出頻率）1KHz，最大輸出頻率1MHz。</p><p>　　3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　a) 波形存儲(chǔ)</b></p><p>　　方波和鋸齒波由于直接實(shí)現(xiàn)，因此不需要存儲(chǔ)其波形值

72、。在本設(shè)計(jì)中，只存儲(chǔ)正弦波的64個(gè)采樣點(diǎn)即可。</p><p><b>　　b) 按鍵消抖實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　在按鍵過(guò)程中，由于機(jī)械顫抖和系統(tǒng)處理速度極快，如果沒(méi)有消抖過(guò)程，系統(tǒng)會(huì)把一次按鍵當(dāng)成多次來(lái)處理，造成和預(yù)料的結(jié)果不一致。在本設(shè)計(jì)中，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。其原理是：機(jī)械顫抖過(guò)程一般為10ms到50ms，用軟件來(lái)延遲該時(shí)間，然后再判斷輸入。如果此時(shí)

73、仍為高或低，則輸入該值。</p><p>　　c) 掃頻的實(shí)現(xiàn)方法</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，要求信號(hào)發(fā)生器具有可掃頻輸出的功能。所謂掃頻，是指信號(hào)能連續(xù)從小到大輸出（在該系統(tǒng)能輸出的頻率范圍內(nèi)）。實(shí)現(xiàn)的方法很簡(jiǎn)單，只要在每次相位累加器產(chǎn)生溢出時(shí)，讓頻率控制字寄存器加1即可。</p><p><b>　　d) 動(dòng)態(tài)顯示</b></p

74、><p>　　為了能直觀的看到信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率，本設(shè)計(jì)用數(shù)碼管來(lái)顯示其頻率。只要知道頻率控制字寄存器的值，然后將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成BCD碼，再轉(zhuǎn)換成可用來(lái)顯示的七段碼，送數(shù)碼管顯示即可。為了減少輸出端口，可以用動(dòng)態(tài)掃描的方法。</p><p><b>　　e) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　由波形選擇方式，設(shè)計(jì)圖3.1所示系統(tǒng)模型。<

75、;/p><p>　　3.2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)</p><p>　　圖3.1 信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)模型</p><p>　　a) 本次實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的環(huán)境如下：</p><p>　　1) 硬件：Acer TraveIMate (Celeron IV 1.7GHz+256MDDR2100+20GHD)。</p><p>　　2) 系統(tǒng)：W

76、indowsXP (SP1+KB823980)英文版+中文語(yǔ)言包。</p><p>　　3) 軟件：Altera公司的QUARTUSⅡ 6.0。</p><p><b>　　b) 各端口說(shuō)明</b></p><p>　　1) 頻率控制字端(FCW)：14位，最大16384輸出；</p><p>　　2) 頻率控制字選通端

77、(WS)：1位，高電平時(shí)，將頻率控制字寫(xiě)入頻率控制字寄存器。</p><p>　　3) 掃頻輸出控制端(SC)：1位，高電平時(shí)，使信號(hào)掃頻輸出；</p><p>　　4) 波形控制端(FB_B、ZXB_B和JCB_B)：都是1位，ZXB_B為高時(shí)輸出正弦波；FB_B為高時(shí)輸出方波；JCB_B為高時(shí)輸出鋸齒波；</p><p>　　5) 復(fù)位端(reset)：1位，高

78、電平是系統(tǒng)復(fù)位；</p><p>　　6) 時(shí)鐘輸入端(sysclk)：1位，為參考頻率的輸入端；</p><p>　　7) 數(shù)據(jù)輸出端(DACOUT)：8位，接DAC，以輸出模擬波形；</p><p>　　8) 顯示輸出端(led_sig)：7位，接共陰極數(shù)碼管可以顯示輸出頻率；</p><p>　　9) 顯示輸出選擇端(led_sel)：

79、4位，和led_sig共同構(gòu)成動(dòng)態(tài)掃描顯示。</p><p>　　c) 主要功能模塊說(shuō)明</p><p><b>　　1) 相位累加器</b></p><p>　　相位累加器是該信號(hào)發(fā)生器的核心部分。相位累加器的設(shè)計(jì)目前一般都采用比較流行的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，它的應(yīng)用使電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有了更大的靈活性，用戶可以根據(jù)自己的需要，利用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)

80、出符合自己要求的電路，但如何在有限的芯片資源下提高相位累加其的速度也就成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)利用流水線技術(shù)加法器與寄存器結(jié)合在一起進(jìn)行相位累加器設(shè)計(jì)的方案。由于StratixⅡ系列提供的IP Core具有功能齊全、安全可靠、使用方便等特點(diǎn)，故累加器模塊選取IP Core中的Accumulator單元。</p><p><b>　　2) 加法器</b></p><p>

81、　　本設(shè)計(jì)共用到1個(gè)加法器，通過(guò)IP Core中的Adder & Subtracter單元實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　3) 波形選擇器</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)用到一個(gè)波形選擇器，來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的選擇。通過(guò)IP Core中的MUX單元實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　4) 波形存儲(chǔ)器</b><

82、/p><p>　　圖3.2 信號(hào)發(fā)生器原理圖</p><p>　　波形存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)。通過(guò)IP Core中的Single Port Block Memory實(shí)現(xiàn)。最后完成的原理圖如圖3.2所示。</p><p>　　4 信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 程序的流程圖</p><p>　　為了能

83、更方便、簡(jiǎn)單地編程，本設(shè)計(jì)先畫(huà)出程序的數(shù)據(jù)流向，即流程圖，然后再根據(jù)流程圖來(lái)編寫(xiě)程序。</p><p>　　首先，根據(jù)要求，如果系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)(reset)為高電平時(shí)，輸出為零，數(shù)碼管顯示為零。如果reset為低電平，系統(tǒng)可以正常工作，此時(shí)，將輸入信號(hào)進(jìn)行消抖，判斷WS是否為高電平，若不是，繼續(xù)判斷；若是，則將頻率控制字(FCW)送頻率控制字寄存器。同時(shí)，計(jì)算輸出頻率模塊開(kāi)始計(jì)算輸出頻率，并將數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示。其次

84、，相位累加器以頻率控制字為步長(zhǎng)，不斷累加。根據(jù)波形輸入字來(lái)判斷輸出那種波形：當(dāng)FB_B有效時(shí)，為方波輸出，在相位寄存器數(shù)據(jù)的前半值時(shí)，輸出一個(gè)正值，在相位寄存器數(shù)據(jù)的后半值時(shí)，輸出一個(gè)負(fù)數(shù)。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，即可得到方波；當(dāng)JCB_B有效時(shí)，把相位累加器的低幾位送D/A轉(zhuǎn)換器，就可以得到鋸齒波；當(dāng)ZXB_B有效時(shí)，以相位累加器的輸出數(shù)據(jù)為地址，對(duì)ROM尋址，把ROM輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，就可以得到正弦波。最后，還要判斷相位累加器有沒(méi)有溢出

85、，如果有溢出，并且掃頻控制信號(hào)(SC)為高電平，應(yīng)該使頻率控制字寄存器加1，即實(shí)現(xiàn)掃頻輸出?？偵纤觯梢缘玫饺鐖D4.1所示的流程圖。</p><p>　　4.2 各個(gè)功能模塊的Verilog程序?qū)崿F(xiàn)</p><p>　　4.2.1 消抖模塊</p><p>　　在硬件電路設(shè)計(jì)部分，已經(jīng)說(shuō)明了消抖模塊的作用。在這里，主要說(shuō)明如何用Verilog來(lái)編程實(shí)現(xiàn)。消抖電

86、路一般有兩種設(shè)計(jì)方法。一種是利用軟件消抖，如上一章所述；另一種方法是設(shè)計(jì)RS觸發(fā)器來(lái)消抖，但它不能有效地防止干擾，所以，一般不用。以下是基于第一種方法實(shí)現(xiàn)消抖的Verilog程序。為了突出消抖，在這里省略了端口定義。</p><p>　　always @(WS or reset or FB_B or JCB_B or ZXB_B)//WS、reset、FB_B、JCB_B、ZXB_B）；//為輸入信號(hào)</p

87、><p><b>　　begin </b></p><p>　　delay(count_times);//任務(wù)調(diào)用</p><p>　　begin //經(jīng)過(guò)消抖之后的輸出</p><p>　　WS_delay=WS?1'b1:1'b0;</p>&

88、lt;p>　　reset_delay=reset?1'b1:1'b0;</p><p>　　FB_B_delay=FB_B?1'b1:1'b0;</p><p>　　JCB_B_delay=JCB_B?1'b1:1'b0;</p><p>　　ZXB_B_delay=ZXB_B?1'b1:1'b0

89、;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　task delay;//該任務(wù)用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)消抖</p><p>　　input[15:0] times;</p><p><b>　　begin<

90、;/b></p><p>　　repeat(times)@(posedge sysclk);//該語(yǔ)句用來(lái)延時(shí)</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　endtask</b></p><p>　　4.2.2 相位累加器模塊</p><p&g

91、t;　　在相位累加器中，實(shí)現(xiàn)掃頻輸出是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在這里，本設(shè)計(jì)只說(shuō)明如何用Verilog來(lái)編程實(shí)現(xiàn)掃頻輸出。實(shí)現(xiàn)的程序?yàn)椋?lt;/p><p>　　always@(FCW or reset_delay or WS_delay or Cout or SC)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if (reset_

92、delay)</p><p>　　FCW_FF=14'b0;//FCW_FF為頻率控制字寄存器</p><p>　　else if(WS_delay)</p><p>　　FCW_FF=FCW;</p><p>　　else if(SC)</p><p>　　@(posedge Cout)//Cout為相位累加

93、器中加法器的進(jìn)位</p><p>　　FCW_FF=FCW_FF+14'b1;// 輸出，在它的上升沿使頻</p><p>　　4.2.3 波形選擇器模塊</p><p>　　在該模塊中，首先要實(shí)現(xiàn)波形控制字的寄存，即要設(shè)計(jì)一個(gè)寄存器。方波和鋸齒波的程序?qū)崿F(xiàn)非常簡(jiǎn)單，在這里重點(diǎn)說(shuō)明正弦波是如何編程實(shí)現(xiàn)的。在硬件電路設(shè)計(jì)部分提到，本設(shè)計(jì)在ROM中只存儲(chǔ)了1/

94、4個(gè)周期的正弦波幅值。以下程序說(shuō)明了如何用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的正弦波波形。</p><p>　　always @(posedge sysclk or posedge reset_delay)//正弦波輸出實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　begin </b></p><p>　　if(reset_delay)</p><p&

95、gt;<b>　　begin</b></p><p>　　phaseaddr<=6'b0;</p><p>　　M16B_Accout_msb1_ff<=1'b0;</p><p>　　M16B_Accout_msb2_ff<=1'b0;</p><p>　　qwavesin_f

96、f<=7'h00;</p><p>　　dac_ff<=8'h00;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　else begin</p><p>　　case(WCW_ff)//synopsys full_case</p><p>　　2

97、9;b00: dac_ff<=7'b0;//零輸出</p><p>　　2'b01: dac_ff<={1'b0,1'b0,M16B_Accout[15:10]};//鋸齒波</p><p>　　2'b10: begin//方波輸出 //輸出</p><p>　　if(!

98、M16B_Accout[15]) </p><p>　　dac_ff<=data;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　dac_ff<=-data;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　2'b11:

99、 begin//正弦波輸出</p><p>　　M16B_Accout_msb1_ff<=M16B_Accout[15];</p><p>　　M16B_Accout_msb2_ff<=M16B_Accout_msb1_ff;</p><p>　　qwavesin_ff<=qwavesin;</p><p>　　if(M16

100、B_Accout[14])</p><p>　　phaseaddr<=~M16B_Accout[13:8];</p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　begin</b></p><p>　　phaseaddr<=M16B_Accout[13:8];<

101、;/p><p>　　dac_ff[7]<=~M16B_Accout_msb2_ff;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　if(M16B_Accout_msb2_ff)</p><p>　　dac_ff[6:0]<=~qwavesin_ff;</p><p>&

102、lt;b>　　else</b></p><p>　　dac_ff[6:0]<=qwavesin_ff;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　endcase</b></p><p><b>　　end</b></p

103、><p>　　4.2.4 顯示模塊</p><p>　　硬件設(shè)計(jì)部分已經(jīng)指出，為減少FPGA的端口占用，在顯示輸出頻率時(shí)可以用動(dòng)態(tài)掃描的方法實(shí)現(xiàn)。以下程序說(shuō)明了如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描。</p><p>　　if(reset_delay)</p><p>　　led_scan_cnt <= 4'd15;</p><p&

104、gt;　　else if(led_scan_cnt == 4'd8)</p><p>　　led_scan_cnt <= 4'd0;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　led_scan_cnt <= led_scan_cnt + 1'b1; </p><

105、;p><b>　　end</b></p><p>　　assignled_sel[0] = ((led_scan_cnt == 4'd0) || (led_scan_cnt == 4'd1))? 1'b1 : 1'b0;</p><p>　　assignled_sel[1] = ((led_scan_cnt == 4

106、9;d2) || (led_scan_cnt == 4'd3))? 1'b1 : 1'b0;</p><p>　　assignled_sel[2] = ((led_scan_cnt == 4'd4) || (led_scan_cnt == 4'd5))? 1'b1 : 1'b0;</p><p>　　assignled_s

107、el[3] = ((led_scan_cnt == 4'd6) || (led_scan_cnt == 4'd7))? 1'b1 : 1'b0;</p><p>　　always @(*) begin//向顯示的數(shù)碼管送數(shù)據(jù)</p><p>　　if (led_sel[3] == 1'b1)led_sig <= led_value_

108、3 _sig;</p><p>　　else if (led_sel[2] == 1'b1)led_sig <= led_value_2_sig; </p><p>　　else if (led_sel[1] == 1'b1)led_sig <= led_value_1_sig; </p><p>　　else if

109、 (led_sel[0] == 1'b1)led_sig <= led_value_0_sig; </p><p>　　elseled_sig <= 7'b1111110;</p><p>　　以上只是實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的關(guān)鍵代碼，完整的程序見(jiàn)附錄A。</p><p>　　5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析</p>

110、<p><b>　　5.1 系統(tǒng)測(cè)試</b></p><p>　　本系統(tǒng)用QUARTUSⅡ6.0軟件來(lái)方真。當(dāng)掃頻輸出控制信號(hào)為0，即SC=1，運(yùn)行結(jié)果如下圖5.1~5.3所示。</p><p>　　當(dāng)FB_B為1時(shí)，表示輸出為方波，設(shè)頻率控制字為768時(shí)，時(shí)序仿真波形如圖5.1所示。</p><p>　　當(dāng)JCB_B為1時(shí)，表

111、示輸出為鋸齒波，設(shè)頻率控制字為768時(shí)，時(shí)序仿真波形如下圖5.2所示。</p><p>　　當(dāng)ZXB_B為1時(shí)，表示輸出為正弦波，設(shè)頻率控制字為768時(shí)，時(shí)序仿真波形如下圖5.3所示。</p><p>　　從圖5.1~5.3可以看出，控制字為768時(shí)，頻率輸出顯示(led_sig)在顯示控</p><p>　　圖5.1 方波時(shí)序分析結(jié)果</p>&l

112、t;p>　　制(led_sel)從低位到高位分別輸出1時(shí)，led_sig依次輸出1111 1111（二進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的8）、1011 1111（二進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的6）、1110 0000（二進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的7）和1111 1110（二進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的0）。數(shù)據(jù)輸出(DACOUT)分別為方波、</p><p>　　圖5.2 鋸齒波時(shí)序分析結(jié)</p><p>　　圖5.

113、3 正弦波時(shí)序分析結(jié)果</p><p>　　鋸齒波和正弦波的幅值數(shù)字量，送數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，即可輸出方波、鋸齒波和正弦波。當(dāng)掃頻輸出控制信號(hào)為高電平，即SC=1，運(yùn)行結(jié)果如圖5.4(a)和5.4(b)所示（這里僅以</p><p>　　圖5.4(a) 頻率沒(méi)有變化以前的仿真波形</p><p>　　圖5.4(b) 輸出頻率變化以后的仿真波形</p&g