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【要求】掌握运用 VHDL 语言设计正弦波形发生器的基本方法【知识点】?理解函数发生器的含义?理解 VHDL 设计正弦波形发生器?理解 FPGA 对 D/A 的接口和控制技术【重点和难点】? VHDL 设计正弦波形发生器? FPGA 对 D/A 的接口和控制技术下一页第8章应用 VHDL 语言方法设计简易正弦波信号发生器第8章应用 VHDL 语言方法设计简易正弦波信号发生器§ 工作任务的陈述与背景§ 完成工作任务的引导§ 相关技术基本知识与基本技能§ 本章小结上一页一、工作任务用 VHDL 语言方法设计一个正弦波形发生器。基本要求:①学****VHDL 设计正弦波形发生器; ②掌握 FPGA 对 D/A 的接口和控制技术。完成波形发生器的设计、仿真测试及实验系统上的硬件测试。二、任务背景自 20 世纪 60 年代以来信号发生器有了迅速的发展,出现了函数发生器。作为电子系统的重要组成部分,它广泛地应用在电子技术实验、自动控制系统和其他科研领域。早期的信号发生器多采用模拟电子技术,电路形式有采用运放及分离元件构成,也有采用单片集成函数发生器专用芯片。§ 工作任务的陈述与背景下一页返回上一页§ 工作任务的陈述与背景但采用模拟电路组成的函数信号发生器,一般可靠性较差,频率输出精度、稳定度低,调节不够精确,设计过程复杂、困难,功能不易扩展,尤其对任意波信号产生较为困难,难以满足科研和高精度实验的需要。现代高精度函数发生器设计采用了 EDA 技术,不但大大缩短了开发研制周期,提高了设计效率,输出信号频率精度和稳定度有很大提升,而目使系统具有结构紧读、设计灵活、实现简单、性能稳定的特点。本章着重介绍采用 EDA 技术,应用 VHDL 语言,在 ALTERA 公司的 Quartus Ⅱ软件环境下,完成频率可调的正弦波发生器的程序设计过程,并进行逻辑综合、仿真和硬件下载,产生正弦波信号。下一页§ 完成工作任务的引导一、资讯要完成本任务,需要了解以下方面的知识。 1. 函数(波形)信号发生器的定义和作用函数(波形)信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形(C n1 ,弦波、方波、二角波、锯齿波和脉冲波等)信号,频率范围可从几个微赫到几十兆赫。函数信号发生器在电路实验、设备检测、通信、宙达、导航、宇航等领域中具有十分广泛的用途。本次设计只是简单完成正弦波输出的功能。 2. 直接数字合成器 DDS ( Direct Digtal Synthesizer) 知识 DDS 中变要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器二个部分,本次设计参考 DDS 设计电路结构。下一页上一页?①频率变化知识。用户通过输入频率控制码来改变输出信号频率。?②相位变化知识。通过相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加来改变相位值。?③波形信号产生知识。正弦计算器计算数字化正弦波幅度值,再把幅度值保在芯片的 ROM 中。通过查表方式扫描数据输出。 3. DAC 控制器的知识 DDS 芯片输出的一般是数字化的正弦波,因此还需经过高速 D/A 转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。使用 DAC 时要考虑 DAC 的位数和转换时间。常用的低速八位 DAC 为 DAC0832 。§ 完成工作任务的引导二、计划采用 DDS 方式设计波形信号发生器,首先要了解 DDS 的结构和每个部分的功能,如图 8-1 所示,本次设计在 CPLD/FPGA 芯片内部由频率控制字、相位累加器、波形数据 ROM 二个部分构成,在外部把波形数据循环扫描后输出给 DAC 转换成模拟信号,通过低通滤波器平滑波形最后输出所需波形。设计中着重完成以下部分内容。?①完成频率控制器的设计。此设计可以通过计数器、分频器设计原理完成。?②相位控制设计。对所查表中每个地址进行数据累加,即可改变信号输出相位。下一页上一页§ 完成工作任务的引导?③计算正弦波各点的幅度离散值。在此设计中我们把一个正弦波分离成 128 个点坐标。由于 VHDL 只适合整数运算,此各离散值由计算器或公式求出,并存储在 ROM 中。三、决策根据图 8-1 所示的正弦波信号发生器组成框图,分步完成正弦波信号发生器的设计。其设计步骤可参考如下步骤进行。?①设计一个分频器,要求能进行频率调整。?②设计一个相位累加器,相位可以前后移位。?③通过计算求出正弦波 128 个离散幅值,并进行储存。?④将程序下载至 FPGA/CPLD 芯片,并和 DAC0832 连接。下一页上一页§ 完成工作任务的引导四、实施如图 8-1 所示,完整的正弦波形发生器由 3部分组成。 1. 频率控制字设计由于一个完整的波形由 1