基于FPGA脉宽调制设计

基于FPGA脉宽调制设计学院：电子信息工程学院姓名：学号指导老师：日期：1.1选题背景与研究意义1.1.1信号发生器的实现技术信号发生器是电子测试设备中的一种，它用来产生不同类型、不同频率、不同幅度的电子波形，广泛应用于电子设备的研发、测试和维修。它产生的典型波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。传统的信号发生器运用的是模拟技术，它的实现方法是将正弦波与某一电平作比较，比较器的输出即方波，通过调节待比较的电平即可产生占空比不同的方波，再对方波做积分和微分便可产生三角波，而锯齿波的产生基于对电容的充电，然后通过开关放电实现。模拟信号发生器技术的关键在于正弦波的产生。早期的技术都是基于谐振法，之后又出现了基于锁相环技术的信号发生器。随着电子技术的不断发展和直接数字频率合成技术（DirectDigitalSynthesizer）的提出，一种新的信号产生方法正在被广泛应用，这种方法就是DDS技术。信号发生器的数字实现方法有两种，一种是运用专用集成电路（ASIC）信号产生芯片，如ADI公司的AD9850，另一种是运用可编程逻辑器件（FPGA）。1.1.2研究背景及研究意义在现代电子系统中，信号发生器是重要的组成部分之一。在信号传输、通信电子、电力载波、电子对抗等众多领域被广泛使用。比如，在广播传输系统中，高频信号需要作为载波发射，在这里就需要一个能产生高频的信号发生器。在工业、生物医学等领域，如超声诊断、核磁共振等，都需要特定频率、特定功率的信号发生器。本设计是直接数字频率合成技术与可编程逻辑器件的结合，首先，利用VerilogHDL语言完成了DDS信号发生器的RTL描述，其次，使用Altera公司出品的QuartusII11.0进行模块化设计和仿真。QuartusII是Altera公司提供的EDA集成开发环境，其人机界面友好，特别适用于FPGA初学者。与EDA软件配合的是CycloneIIEP2C5Q208C8开发板，体积小巧，功能丰富，非常适合用于DDS的设计。1.2信号发生器功能1.2.1信号发生器的功能作为基本功能，信号发生器要具有产生正弦波、方波、三角波和锯齿波的能力；设计说明书如下：①通过拨码开关实现输出SPWM。②当拨码开关同时为“0”时，输出SPWM。③当拨码开关分别为“0”“1”时，输出正弦波和锯齿比较后波形。④当拨码开关分别为“1”“0”时，输出频率改变的方波。⑤当拨码开关同时为“1”时，通过某一按键开关切换输出波形的类型，类型在正弦波、三角波和锯齿波之间切换。1.3信号发生器数字部分的设计1.3.1波形ROM设计作为一款DDS信号发生器，ROM的设计很重要。本文的ROM模块调用了Quartus自带的IP核ROM:1-PORT，在调用之前，需先准备好ROM的初始化文件，Altera的FPGA的ROM初始化文件的后缀名为.mif（memoryinitializedfile），格式如下：DEPTH=128;WIDTH=8;ADDRESS_RADIX=DEC;DATA_RADIX=DEC;CONTENTBEGIN[数据]END;生成ROM模块的过程如下：打开“MegaWizardPlug-InManager”，点击“Createanewcustommegafunctionvariation”，在弹出的对话框中展开“MemoryCompiler”列表，在展开的列表中选择“ROM:1-PORT”，点击“下一步”，在“Howwideshouldthe‘q’outputbusbe?”右侧选择8位，在“Howmany10-bitwordsofmemory?”右侧选择数据容量为128个。点击两次“下一步”，选择生成的mif文件，再点击两次“下一步”，在对话框中把“生成bsf文件”勾上。最后点击“结束”，便完成了ROM的调用。生成的symbol如图所示。ROM的symbol正弦ROM模块的仿真波形如图所示。ROM模块仿真波形正弦ROM模块例化代码如下：正弦波的symbol如图所示。正弦波，方波，锯齿波，三角波生成模块的SignalTap抓取波形如图所示。1.3.2分频模块设计晶振的输出频率为50MHz，为显示SPWM波形，这时就有必要对输入时钟进行分频了。分频模块的关键代码如下：正弦波的symbol如图所示。正弦波的symbol1.3.3比较器和按键控制设计经过上述设计，现在模块具有四个ROM，每个ROM分别保存着正弦波、方波、三角波和锯齿波，模块具有四个DA输出，这就需要有一个模块来实现对四个数据的选择，选出一路波形数据给DA。要产生占空比可调的方波，可以将某一电平与正弦波比较，比较器的输出即占空比可调的方波，其中，控制被比较的电平的大小即可控制方波的占空比。比较器及按键的关键代码如下：比较器及按键的symbol如图所示。比较器及按键的symbol1.3.4SPWM波生成设计SPWM波生成运用了正弦波和等腰三角波电平相比较的原理，只需调用一个三角波生成模块，将三角波的电平与正弦波相比较即可，比较的输出接数据选择器，就可输出SPWM波了。SPWM波生成模块的顶层如图所示。SPWM波生成模块的顶层SPWM波生成模块的SignalTap抓取波形如图所示。SPWM波生成模块的SignalTap抓取波形1.3.5顶层设计整个数字系统的顶层设计是按照图进行的，其Quartus原理图如图所示：数字部分顶层图RTL图如下所示。2.1总结通过此次设计，让我深深的感觉到自己所学知识真是非常的浅薄。面对电子技术日新月异的发展，利用EDA手段进行设计已成为不可阻挡的趋势。相对于传统至底向上的设计方式，自上而下的设计具有其显著的优越性。利用EDA设计软件辅助设计，方便快捷，减少了错误率的产生，缩短了产品的设计及上市周期，既减轻了设计工作量又满足了商业利益的需求。该系统以Cyclon器件为核心部件，可利用软件编程实现了对D/A转换信号的处理。努力做到了线路简单、高性价比的特点，充分利用了软件编程，弥补了硬件元器件的不足。在设计过程当中，遇到了软件操作不熟练，程序编写不规范等诸多问题，通过对问题的总结分析得出,应用软件的主要功能必须熟练操作，才能提高工作效率，需要规范操作的地方必须严格按照使用说明操作，避免由于软件使用不当造成的错误产生。程序的编写格式必须规范，模块、端口以及信号变量的命名应当反映实际意义，缩进格式工整明了，方便阅读理解，这样有利于程序的编写，有利于分析调试，也有利于程序的重复使用。此次课题的设计已告一段落，在这次毕业设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识，学会了一些编程方面的常用算法。作为一名电子专业的毕业生，我将会继续在新技术的道路上不断钻研、开拓进取。相信通过此次设计的锻炼，我对专业知识和技能的掌握将更加牢靠，在今后的工作和学习中，必将使我受益匪浅，取得应有的成绩。