畢業(yè)設計（論文）-基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生.docx

畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生器系 別： 班 級： 學生姓名： 指導教師： 20 年 月 日畢業(yè)設計開題報告課題題目基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生器課題性質A B C D E 課題來源A B C D 成果形式A B C D E 同組同學無見附頁指導教師意見（課題難度是否適中、工作量是否飽滿、進度安排是否合理、工作條件是否具備等）指導教師簽名： 月 日 專家組及系里意見（選題是否適宜、各項內容是否達到畢業(yè)設計（論文）大綱要求、整改意見等）專家組成員簽字： 教學主任（簽章）： 月 日基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生器的設計1 主要技術指標設計制作一個基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生器，能輸出正弦波、三角波、方波等波形的信號源電路。a.對正弦波信號的要求為：信號頻率范圍：20Hz-20kHz之間可調，步長為10Hz；頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于1/10000；非線性失真系數(shù)3%。b.對方波信號的要求是：信號頻率范圍：20Hz-20kHz；上升和下降時間1s；c.對三角波信號的要求為：信號頻率范圍：20Hz-20kHz之間可調。d.對以上三種頻率均要求：產(chǎn)生的頻率都可以預置；要求負載為600時，輸出信號的幅值大于3V；輸出的信號幅值能在100mv3V的范圍內調整，步長為100mV。 以上三種波形之間的相位差均為120。2 工作思路數(shù)字直接頻率合成(Direct Digital Synthesis)是20世紀60年代末出現(xiàn)的第三代頻率合成技術。該技術從相位概念出發(fā)，以時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成。DDS頻率轉換速度快，頻率分辨率高，并在頻率轉換時可保持相位的連續(xù)，因而易于實現(xiàn)多種調制功能。DDS是全數(shù)字化技術，其幅度、相位、頻率均可實現(xiàn)程控，并可通過更換波形數(shù)據(jù)靈活實現(xiàn)任意波形。 數(shù)字直接頻率合成（DDS）是產(chǎn)生正弦波、方波、矩形波和三角波等比較理想的方法，可以通過軟件和硬件實現(xiàn)，即首先將構成波形的數(shù)據(jù)編程存入EPROM中，然后再利用累加器按照頻率要求相對應的相位增量作累加，再以累加器的相位值為地址碼，讀取存儲器中的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過D/A變換和濾波后得到波形信號輸出。CPLD的內部結構首先由控制寄存器將外部控制器送入的數(shù)據(jù)轉換為頻率和幅度控制字；然后再由分頻器根據(jù)頻率控制字進行分頻并將輸出作為尋址計數(shù)器的時鐘；尋址計數(shù)器的尋址空間為360字節(jié)，由于尋址空間為360字節(jié)，故在輸出尋址數(shù)大于360時，須對360取模。通過模360加法器可以產(chǎn)生120的相位差。模360加法器設計這個模塊是用來產(chǎn)生120的相移，以形成三相相差為120的輸出波形。CPLD幅度控制字經(jīng)D/A轉換輸出后，可作為查找表輸出DAC的參考電壓，該參考電壓可通過改變幅度控制字來進行改變，從而改變輸出信號的幅度。 控制寄存器的設計主要是將外部控制器輸入的數(shù)據(jù)轉換為頻率和幅度控制字。分頻比可變的分頻器模塊的設計主要是根據(jù)頻率控制字決定分頻倍數(shù)，從而輸出與頻率控制字相對應的頻率時鐘，此模塊的輸出可作為尋址計數(shù)器的時鐘。尋址計數(shù)器主要用于產(chǎn)生對ROM尋址輸出波形數(shù)據(jù)的尋址信號，其尋址空間為360字節(jié)。可對ROM中的查找表進行尋址，查找表ROM設計這個模塊主要用于存儲各種波形數(shù)據(jù)，以便通過尋址計數(shù)器尋址輸出并經(jīng)D/A轉換來輸出各種波形，其中包括正弦波、三角波、方波以及鋸齒波。此方案可以方便地輸出多種三相波形，而且由于CPLD具有可編程重置特性，因而可以方便地改變控制方式或更換波形數(shù)據(jù)，而且簡單易行，易于系統(tǒng)升級，同時具有很高的性價比。工藝設計選題定指標電子系統(tǒng)設計電路板制作制樣板整理文檔資料鑒定圖1 畢業(yè)設計流程圖MAX+PLUS是第三代 CPLD/FPGA開發(fā)系統(tǒng)，它界面友好，使用方便；設計者無須精通器件內部的復雜結構；可以采用多種設計輸入方式建立設計項目。MAX+PLUS的在平臺的操作菜單十分便于設計者運用這些模塊完成較復雜的設計；MAX+PLUS具有門級仿真器，可以進行功能仿真和時序仿真，能產(chǎn)生精確的仿真結果。VHDL語言是一種硬件描述語言，它的全稱為“超高速集成電路硬件描述語言”。VHDL中，被描述的電路或系統(tǒng)由實體和結構體兩個部分組成。實體說明部分描述該電路或系統(tǒng)的接口信息，結構體部分則描述該電路或系統(tǒng)的內部結構、數(shù)據(jù)流或動作行為的情況，用它適配于模塊的輸入/輸出，體現(xiàn)出實體端口的功能。實體和結構體相配合組成VHDL設計文件。一個設計實體可以包含一個或多個結構體，用于描述設計實體的邏輯結構和邏輯功能?；贑PLD和DDS技術的函數(shù)發(fā)生器可以實現(xiàn)信號波形的多樣化，而且方便可靠，簡單經(jīng)濟，系統(tǒng)易于擴展，同時可大大提高輸出信號的帶寬。以上介紹的是基于可編程邏輯器件CPLD和數(shù)字直接頻率合成技術（DDS）的三相多波形函數(shù)發(fā)生器的基本原理，也就是進行本次設計工作的工作思路。設計準備和系統(tǒng)劃分設計輸入（HDL語言或波形圖）編譯并進行流程仿真適配前時序仿真適配器CPLD實現(xiàn)適配后仿真模型適配后時序仿真圖2 CPLD的基本設計工作流程3 課題的準備情況及進度計劃在課題的準備中，我查閱了圖書館的相關書籍并上網(wǎng)搜尋了相關資料，了解了許多關于DDS與CPLD方面的信息，使自己的對這一課題的認識得到了提高，同時對制作此函數(shù)發(fā)生器有了很大信心?，F(xiàn)在前期準備工作已基本完成。進度計劃：在0607學年下學期第十周以前完成。 進度時間安排 計劃任務 早進入階段擬訂設計目標，準備開題報告 12周進行設計規(guī)劃，確定設計具體步驟及方案 35周用MUS+PLUS等軟件編寫所需程序 68周下載程序并調試波形發(fā)生器 910周準備畢業(yè)設計論文答辯4主要參考文獻1沈明山.EDA技術及可編程器件應用時訓M.北京：科學出版社.20032付慧生.復雜可編程邏輯器件與應用設計M .北京：中國礦業(yè)大學出版社. 20033李國洪，沈明山.可編程器件EDA技術與實踐M .北京：機械工業(yè)出版社.20044陳賾.CPLD/FPGA與ASIC設計實踐教程M .北京：科學出版社.20045蔡明生.電子設計M .北京： 高等教育出版社.20036李東升.電子設計自動化與IC設計M .北京：高等教育出版社.20047李洋.EDA技術實用教程M .北京：機械工業(yè)出版社.20058張秀娟，陳新華等.EDA設計與仿真實踐M .北京：機械工業(yè)出版社.20049尹常永.EDA技術與數(shù)字系統(tǒng)設計M .陜西：西安電子科技大學出版社.200310潭會生，張昌凡等.EDA技術與應用（第二版）M.陜西：西安電子科技大學出版社.200411王祖強.電子實際自動化（EDA）技術實驗教程M .山東：山東大學出版社.200312朱正偉.EDA技術及應用M .北京：清華大學出版社.200413劉艷萍，高振斌等.EDA實用技術及應用M .北京：國防工業(yè)出版社.200514焦素敏.EDA應用技術M.北京：清華大學出版社.200415潘松，黃繼業(yè).EDA技術與VHDLM.北京：清華大學出版社.2003摘 要直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)是20世紀60年代末出現(xiàn)的第三代頻率合成技術，該技術從相位概念出發(fā)，以時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成，它以可編程邏輯器件(CPLD)作為控制及數(shù)據(jù)處理的核心，可將波形數(shù)據(jù)用D/A轉換器快速恢復。基于CPLD和DDS技術的函數(shù)發(fā)生器可以實現(xiàn)信號波形的多樣化，同時大大提高輸出信號的帶寬。整個設計采用MAX+ plus II開發(fā)平臺，VHDL編程實現(xiàn)，基于可編程邏輯器件CPLD設計多波形信號發(fā)生器。用VHDL編程實現(xiàn)，其設計過程簡單，極易修改，可移植性強。系統(tǒng)以CPLD為核心，采用直接數(shù)字合成技術，輔以必要的模擬電路，構成一個波形穩(wěn)定，精度較高的函數(shù)信號發(fā)生器。系統(tǒng)的特色在于除晶體振蕩器和A/D轉換外，全部集成在一片CPLD芯片上，使系統(tǒng)大大簡化。它可輸出頻率、幅度可調的正弦波、三角波、方波。另外由于CPLD具有可編程重置特性，因而可以方便地更換波形數(shù)據(jù)，且簡單易行，帶來極大方便。 關鍵詞：信號發(fā)生器設計；三相；VHDL；CPLD；MAX+ plus IIABSTRACTDirect digital frequency synthesize(DDFS) is a recently and rapidly developed technology which features high frequency resolutionThis paper briefly introduces the basic principle of DDS. The basic principle and performance of CPLD chipThen it mainly describes how to use CPLD chip to design a function generator of high accuracyThe principle of three-phase multi-signal generator based on CPLD and DDS technology is introducedBased on these，the modules of CPLD design are givenThe multi-wave signal generator is designed based on program-mable logical component CPLDThe VHDL programming realization and the MAX+ plus II development platform. Besides the crystal oscillator and the A/D transformation，the entire system completely integrates on the CPLD chipThe multi-wave signal generator may output the sine-wave，the triangle-wave，the square-waveThen downloaded under the situation which the entire system hardware connects do not change，and finally output the special profile which user needsThe multi-wave signal generator generates wave which the conventional function signal generators cant makeMoreover because of the programmable reset feature of the CPLD，the generator can change the wave data conveniently and practice easilyThe whole design realizes by the VHDL programmerIts design process has simple feature，easy modification and high transportationKeywords：Signal Generator Design；Three-phase；VHDL；CPLD；MAX+ plus II目 錄1 引 言12基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生器設計32.1 波形發(fā)生器系統(tǒng)的設計方法及其技術指標32.1.1設計方式概述32.1.2 三相函數(shù)多波形發(fā)生器技術指標52.1.3三相波形發(fā)生器設計方法概述52.2 設計方案62.2.1 三相函數(shù)發(fā)生器設計原理62.2.2 多波形發(fā)生器的各個波形模塊設計方式簡介92.3 調試部分122.3.1 CPLD在使用中遇到的問題122.3.2 控制電路的調試132.3.3 DAC電路的調試132.3.4 程序的調試132.3.5 硬件電路的調試13結 論15參考文獻16附錄1 三相多波形函數(shù)發(fā)生器各模塊的程序17附錄2 元件介紹231 DAC0832232 LM324243 PM7128SLC84-15芯片25附錄3電路原理圖26附錄4 英文資料及譯文271英文資料272英文譯文36致 謝431 引 言現(xiàn)代電子技術的核心技術是EDA（Electronic Design Automation）。EDA技術就是依賴強大的電子計算機在EDA開發(fā)平臺上，對硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設計文件，自動的完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結構綜合（布局布線），以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能。EDA技術使得設計者的工作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言和EDA軟件來完成對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)。EDA使得電子技術領域各學科的界限更加模糊，更加護為包容：模擬與數(shù)字、軟件與硬件、系統(tǒng)與器件、行為與結構、ASIC（Application Specific Integrated Circuit,專用集成電路）與FPGA（Field Programmable Gate Array）等。EDA技術在21世紀得到的很大進步，例如更大規(guī)模的FPGA和CPLD（Complex Programmable Logic Device）器件的不斷推出；軟硬件IP核(Intellectual Property)在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領域、技術領域和設計應用領域得到進一步的確認；系統(tǒng)級、行為驗證級硬件描述語言(System C)的出現(xiàn)，使復雜電子系統(tǒng)和驗證趨于簡單。硬件描述語言VHDL全名是VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language是EDA技術的重要組成部分,由美國國防部發(fā)起創(chuàng)建，由IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers)進一步發(fā)展并發(fā)布，是硬件描述語言的業(yè)界標準之一。VHDL語言具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng)進行建模和描述，從而大大簡化了硬件設計任務，提高了設計效率和可靠性。VHDL具有與具體硬件電路無關和與設計平臺無關的特性，并且具有良好的電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力，VHDL支持各種模式的設計方法：自頂向下與自頂向上或混合方法，在面對當今電子產(chǎn)品生命周期縮短，需要多次重新設計以融入最新技術、改變工藝等方面，VHDL具有良好的適應性。向器件作編程或適配習慣上叫做下載，這要通過下載軟件平臺或者下載電纜實現(xiàn)。這是設計過程中的重要步驟，可以利用MAX+PLUS軟件在計算機上完成設計并下載到目標器件中。EDA工具軟件大致可以分為5個模塊：設計輸入編輯器，仿真器，HDL綜合器，適配器，下載器等。Direct Digital Synthesis(DDS)是20世紀60年代末出現(xiàn)的第三代頻率合成技術。該技術從相位概念出發(fā)，以時域采樣定理為基礎，在時域中進行頻率合成，它以可編程邏輯器件(CPLD)作為控制及數(shù)據(jù)處理的核心，將存于Flash ROM的波形數(shù)據(jù)用D/A轉換器快速恢復。DDS頻率轉換速度快，頻率分辨率高，并在頻率轉換時可保持相位的連續(xù)，因而易于實現(xiàn)多種調制功能。DDS是全數(shù)字化技術，其幅度、相位、頻率均可實現(xiàn)程控，并可通過更換波形數(shù)據(jù)靈活實現(xiàn)任意波形。此外，DDS易于單片集成，體積小，價格低，功耗小，因此DDS技術近年來得到了飛速發(fā)展，其應用也越來越廣泛?；贑PLD和DDS技術的函數(shù)發(fā)生器可以實現(xiàn)信號波形的多樣化，而且方便可靠，簡單經(jīng)濟，系統(tǒng)易于擴展，同時可大大提高輸出信號的帶寬。CPLD為連續(xù)式互連結構，器件引腳到內部邏輯單元，以及各邏輯單元之間，是通過全局互連總線中的多路選擇器或交叉矩陣選通構成信號通路。其主要特點是內部時間延時與器件邏輯結構等無關，各模塊之間提供了具有固定時延的快速互連通道，因此可以預測時間延時，容易消除競爭冒險等現(xiàn)象，便于各種邏輯電路設計。 本文的DDS系統(tǒng)以CPLD為核心，采用直接數(shù)字合成技術，輔以必要的模擬電路，構成一個波形穩(wěn)定，精度較高的函數(shù)信號發(fā)生器。本系統(tǒng)的特色在于CPLD中集成了大部分電路，使系統(tǒng)大大簡化，除輸出所需的正弦波、方波、三角波，還可進行波形存儲,三種波形之間的相位差均為120，是三相的CPLD系統(tǒng)。DDS的理論依據(jù)是奈奎斯特抽樣定理。根據(jù)該定理，對于一個周期正弦波連續(xù)信號，可以沿其相位軸方向，以等量的相位間隔對其進行相位/幅度抽樣，得到一個周期性的正弦信號的離散相位的幅度序列，并且對模擬幅度進行量化，量化后的幅值采用相應的二進制數(shù)據(jù)編碼。這樣就把一個周期的正弦波連續(xù)信號轉換成為一系列離散的二進制數(shù)字量，然后通過一定的手段固化在只讀存儲器ROM 中，每個存儲單元的地址即是相位取樣地址，存儲單元的內容是已經(jīng)量化了的正弦波幅值。這樣的一個只讀存儲器就構成了一個與2周期內相位取樣相對應的正弦函數(shù)表，因它存儲的是一個周期的正弦波波形幅值，因此又稱其為正弦波形存儲器。此時，正弦波形信號的相位與時間成線性關系。根據(jù)這一基本關系，在一定頻率的時鐘信號作用下，通過一個線性的計數(shù)時序發(fā)生器所產(chǎn)生的取樣地址對已得到的正弦波波形存儲器進行掃描，進而周期性地讀取波形存儲器中的數(shù)據(jù)，其輸出通過數(shù)模轉換器及低通濾波器就可以合成一個完整的、具有一定頻率的正弦波信號。DDS電路一般包括系統(tǒng)時鐘、相位累加器、相位調制器、ROM 查找表、D/A轉換器和低通濾波器(LPF)?；贑PLD和DDS技術的函數(shù)發(fā)生器可以實現(xiàn)信號波形的多樣化，而且方便可靠，簡單經(jīng)濟，系統(tǒng)易于擴展，同時可大大提高輸出信號的帶寬。2基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生器設計2.1 波形發(fā)生器系統(tǒng)的設計方法及其技術指標2.1.1設計方式概述在電子工程設計與測試中，常常需要一些具有特殊要求的信號，要求其波形產(chǎn)生多，頻率方便可調。通常的信號產(chǎn)生器難以滿足要求，市場上出售的任意信號產(chǎn)生器價格昂貴。在老師指導下，結合實際要求，我設計了一種基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生器，能輸出正弦波、三角波、方波等波形信號，波形信號之間的相位差均為120。復雜可編程邏輯器件CPLD器件可以代替許多分立元器件，從而大大降低了電路板的復雜程度。對于CPLD器件的設計一般可以分為設計輸入、設計實現(xiàn)和器件編程三個設計步驟以及相應的功能仿真、時序仿真和器件測試三個設計驗證過程。設計輸入有多種方式，目前最常用的有電路圖和硬件描述語言兩種，對于簡單的設計，可采用原理圖的方式設計，對于復雜的設計可使用原理圖或硬件描述語言(Verilog, AHDL, VHDL語言)，或者兩者混用，采用層次化設計方法，分模塊層次地進行描述。原理圖設計方法主要是按照數(shù)字系統(tǒng)的功能采用具體的邏輯器件組合來實現(xiàn)的把這些由具體器件實現(xiàn)邏輯功能的電路圖輸入到軟件當中。這種設計方法比較直觀。 硬件描述語言設計方法主要把數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能用硬件語言來描述，采用VHDL語言描述的數(shù)字系統(tǒng)大致有三種；其一稱為行為描述，它用幾個包含著若干順序語句的進程描述輸入與輸出之間的轉換關系；其二是數(shù)據(jù)流描述，用一系列的并發(fā)信號賦值語句描述輸入與輸出之間的關系；其三為結構描述方式，是通過元件之間的互聯(lián)關系描述輸出電路的結構。無論是原理圖輸入還是描述語言輸入都各有其優(yōu)點，原理圖設計適合于對器件比較熟悉，元件之間的互聯(lián)清楚，并且需要的設計比較簡單的情況，而對于器件不熟悉，設計復雜的情況來說，使用硬件描述語言要方便一些。設計實現(xiàn):設計實現(xiàn)是指從設計輸入文件到熔絲圖文件(CPLD)的編譯過程。在該過程中，編譯軟件自動地對設計文件進行綜合、優(yōu)化，并針對所選中的器件進行映射、布局、布線、產(chǎn)生相應的熔絲圖或位流數(shù)據(jù)文件，在此過程中，由于編譯軟件給系統(tǒng)管腳的分配是比較雜亂的，為了電路板布線的方便，用戶可以對輸入/輸出管腳進行管腳鎖定。器件編程:器件編程就是將熔絲圖文件或位流數(shù)據(jù)文件下載到相應的CPLD器件中，并與CPLD器件的管腳相對應，所用的軟件是ALTARE公司提供的CPLDDN4，這是ALTARE公司CPLD系列的專用下載軟件。設計校驗:對應于設計輸入、設計實現(xiàn)和器件編程，設計驗證分為了功能仿真、時序仿真、器件測試三個部分。功能仿真驗證設計的邏輯功能，在設計輸入過程中，對部分功能或整個設計均可進行仿真；時序仿真是在設計實現(xiàn)以后，針對器件的布局、布線方案進行時延仿真，分析定時關系:器件測試是在器件編程后，通過實驗或借助測試工具，測試器件最終的功能和性能指標。在設計中系統(tǒng)的接口電路、信號源的大多數(shù)邏輯控制都在CPLD中實現(xiàn)。在該流程中仿真是重點。仿真又可分為功能仿真(前仿真)與時序仿真(后仿真)。根據(jù)電路設計編制仿真文件，在文件被綜合前進行仿真，可驗證電路功能；在保證電路已實現(xiàn)設計的功能后，進行綜合并對綜合的結果進行時序仿真，可驗證電路的時序是否滿足要求。當電路的前仿真與后仿真都滿足要求，則電路的設計是成功的。然后設置器件類型并進行引腳鎖定，再對文件進行適合于所加配置的邏輯綜合；通過后即完成設計。最后結合系統(tǒng)中的其它部分進行連調，如發(fā)現(xiàn)問題可修改設計。本設計中使用了ALTERA公司提供的配套軟件MAX+PLUSII進行文件的輸入、編譯和下載。MAX+PLUSII的軟件設計主要由設計輸入、項目編譯、項目校驗和器件編程等四部分構成。設計輸入功能仿真編譯實現(xiàn)時序仿真編程下載調試結束圖2.1-1 CPLD設計流程圖設計輸入MUS+PLUS文本編輯器MUS+PLUS圖形編輯器項目編譯編譯器網(wǎng)表提取器數(shù)據(jù)庫建庫器適配綜合器器件編程MUS+PLUS編程器項目校驗MUS+PLUS時間分析器MUS+PLUS圖2.1-2 MUS+PLUS設計的主要組成部分2.1.2 三相函數(shù)多波形發(fā)生器技術指標三種波形之間的相位差均為120，可以同時輸出，具有三相的功能。對以下三種波形的頻率均要求：產(chǎn)生的頻率都可以預置；輸出的信號幅值能在100mv3V的范圍內調整。對正弦波信號的要求為：信號頻率范圍：20Hz-20kHz之間可調，步長為10Hz；非線性失真系數(shù)3%。對方波信號的要求是：信號頻率范圍：20Hz-20kHz；上升和下降時間1s；對三角波信號的要求為：信號頻率范圍：20Hz-20kHz之間可調。2.1.3三相波形發(fā)生器設計方法概述Direct Digital Synthesis(DDS)是20世紀60年代末出現(xiàn)的第三代頻率合成技術。用DDS技術來設計制作一個基于CPLD的三相多波形函數(shù)發(fā)生器，并使它能輸出正弦波、三角波、方波等波形信號源，三種波形的相位差為120。波形發(fā)生器中的CPLD芯片是DDS的控制及數(shù)據(jù)處理的核心，電路系統(tǒng)主要由時鐘信號發(fā)生器、波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生器和A/D轉換電路組成。波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生器由數(shù)控分頻器、三角波產(chǎn)生模塊、正弦波產(chǎn)生模塊、方波產(chǎn)生模塊等構成。在時鐘信號發(fā)生器作用下，波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生器生成頻率可變的波形數(shù)據(jù)數(shù)字信號，由 A/D轉換電路放大處理后輸出最終所需要的波形信號。 各個模塊的實現(xiàn)主要采用MAX+ plus II開發(fā)平臺，由VHDL編程實現(xiàn)。先完成外圍電路的焊接之后，用CPLD的專屬下載軟件把編寫完的程序燒錄入CPLD芯片，再對整個波形發(fā)生器進行調試，使其達到預期的效果。 2.2 設計方案2.2.1 三相函數(shù)發(fā)生器設計原理DDS制作的三相波形發(fā)生器主要由標準參考頻率源、相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉換器、低通平滑濾波器構成。在時鐘脈沖的控制下，頻率控制字K由相位累加器得到相應的相碼，相碼尋址波形存儲器進行相碼幅碼變換輸出不同的幅度編碼，再經(jīng)過數(shù)模變換器得到相應的階梯波，最后經(jīng)低通濾波器對階梯波進行平滑，即得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出波形。其中，參考頻率源一般是一個高穩(wěn)定的晶體振蕩器，其輸出信號用于DDS中各部件同步工作。因此，DDS輸出的合成信號的頻率穩(wěn)定度與晶體振蕩器是一樣的。DDS系統(tǒng)核心是N位相位累加器。相位累加器的結構一般N位字長的二進制加法器與一個由時鐘觸發(fā)的N位二進制相位累加寄存器級聯(lián)構成，加法器的一個輸入端與相位寄存器的輸出端相連，另一個輸入端是外部的頻率控制字K。在每一個參考時鐘脈沖輸入時，把頻率字累加一次，并把相加后的結果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸出端。由于相位累加器的輸出連接在波形存儲器的地址線上。因此其輸出的改變就相當于進行查表。系統(tǒng)中的參考時鐘通常是一個高穩(wěn)定性的晶體振動器，用來作為系統(tǒng)時鐘同步整個系統(tǒng)的各組成部分。在系統(tǒng)時鐘脈沖的作用下，相位累加器不停地累加也即不停地查表，不停地把波形重新合成出來，當相位累加器累加滿時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。濾波器則進一步平滑D/A轉換器輸出的近似所需波形的鋸齒階梯波同時濾出不必要的雜波。頻率控制字累加器相位寄存器相位控制字加法器D/A轉換時鐘源波形查找表LP頻率輸出 圖2.2-1 DDS的原理圖頻率控制字KN位加法器N位相位寄存器輸出序列NNf圖2.2-2 相位累加器的結構示意圖若頻率控制字設為M，相位累加器為N位，參考時鐘頻率f，則輸出頻率為Mf/2(a=N)。DDS的輸出頻率下限對應于頻率控制字M=0的情形，即輸出頻率為f。=0。根據(jù)Nyquist采樣定理，DDS的輸出上限頻率為時鐘頻率的一半，即f。=f。但由于實際輸出低通濾波器的非理想特性，可實現(xiàn)的頻率上限為-2/5fo。即若參考頻率為 ，DDS的輸出頻率范圍是02/5fc。由于DDS的模塊化結構，其輸出波形由波形查找表中的數(shù)據(jù)來決定，因此，只需改變查找表中的數(shù)據(jù)，即可以方便地利用DDS產(chǎn)生出正弦波之外的其他波形，如余弦波、方波、三角波。鋸齒波甚至調頻、調相波以及帶限的噪聲信號。三相分時復用原理：分時復用的原理是各路信號只占用同一信道的不同時間間隙進行信號傳輸。具體到本電路就是利用對正弦表尋址的高速度，使一個正弦表在不同時間段查尋不同相的正弦波的幅值，以達到減少正弦表所占用的CPLD資源的目的。電路的具體實現(xiàn)：三路在相位上互差120。的地址數(shù)據(jù)并行輸入通過一個三選一的選擇器來進行選擇，選擇器的控制端接三進制的計數(shù)器。如，計數(shù)器為0時，輸出的是A相的地址。計數(shù)器為1時，輸出的是B相的地址計數(shù)器為2時，輸出的是C相的地址。因此只要使輸入的三相地址周期性變化，就實現(xiàn)了并行輸入的三相地址數(shù)據(jù)在時間上形成了連續(xù)，也就實現(xiàn)了三相地址數(shù)據(jù)的合成。這樣就可以利用一個正弦表來得到三相的正弦值，把正弦表減少到?jīng)]有采樣分時復用時的1/3。數(shù)據(jù)的分離：通過分時復用，使得通過查尋一個正弦表得到在相位上互差的三相正弦波的幅值，但是由于輸入的三相地址在時間上是連續(xù)的，即對ROM表尋址的地址只有一路，因此，雖然得到了三相正弦波的幅值，可是他們是按ADDRESS中各相之間的關系混合在一起的，因此，必需對所得到的幅值進行分離。才能得到三相正弦波。由波形ADDRESS中各相地址的相互關系可知，分離數(shù)據(jù)只要把分時復用的合成部分反接即可。參數(shù)選擇：相位累加器的字長決定了頻率分辨率設計中取N=16。由于CPLD中硬件資源(主要是存儲器EAB容量)所限，需對相位累加器輸出的16位相位進行截斷，這里取16位相位的前l(fā)0位進入相位，幅度轉換電路，即A=10，輸出數(shù)字幅度序列定位10位(D=10)。同步寄存器頻率字輸入相位累加器累加寄存器相位字輸入同步寄存器正弦ROM查找表相位調制器系統(tǒng)時鐘D/ALPF波形輸出圖2.2-3 正弦波波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊這樣確定的基本參數(shù)如下：（1）時鐘頻率和輸出帶寬根據(jù)已知的外部時鐘源的頻率f=12MHz那么本系統(tǒng)最高輸出頻率位2/5fo=4.8 MHz。（2）頻率范圍由于要求輸出的信號頻率范圍比較大因此在12MHz時鐘源引入CPLD后，在相位累加器之前增加了一個時鐘分頻器，可實現(xiàn)10、100、1000、10000次分頻。根據(jù)輸出信號的頻率和精度要求，選擇不同的分頻比將50MHz時鐘頻率降低，再作位相位累加器和波形產(chǎn)生電路的參考時鐘。相位/幅度變換用CPLD實現(xiàn)相位/幅度變換電路是設計的一個難點。根據(jù)DDS原理，將不同波形的量化數(shù)據(jù)存儲于波形查找表中，即可完成多波形發(fā)生的功能。ROM 的功能在本方案選用的Altera公司生產(chǎn)的CPLD芯片中實現(xiàn)，因此在實際設計中，要充分考慮表格數(shù)據(jù)的優(yōu)化問題。根據(jù)上面的參數(shù)選擇，取相位累加器字長M=16，截取前10位有效位，輸出幅度序列定位l0位。這樣直接實現(xiàn)正弦波形存儲需要210xl0bitROM。正弦查找表可調用Maxplux2軟件中的“l(fā)pm_rom”宏模塊實現(xiàn)。CPLD器件選擇ALTERA公司的EPM7128S84-15。它有128個宏單元、2500個等效邏輯門、15ns的速度、PLCC84封裝形式。除電源引腳、地線引腳、全局控制引腳和JTAG引腳外，共提供了64個可用I/O腳，這些引腳可以任意配置為輸入、輸出和雙向方式。該器件的特點如下:l 是 一 種高性能的CM0SE EPROM器件。l 器 件 可通過JTAG接口實現(xiàn)在線編程。l 內 置 JTAG BST電路。l 可 編 程宏單元觸發(fā)器具有專用清除、置位、時鐘和時鐘使能控制。l 可 配 置的擴展乘積項分配，允許向每個宏單元提供多達32個乘積項。EPM7128S器件是通過4個引腳的JTAG接口進行在線編程(ISP)的。ISP允許快速、有效地在設計開發(fā)過程中重復編程。JTAG(Joint Test Action Group)是歐洲的JETAG組織提出的邊界掃描標準，即IEEE1149. 1標準。該標準提供了板級和芯片級的測試，所有JTAG測試功能僅需一條四線或五線的接口及相應的軟件即能完成，利用JTAG能測試電路板的連接情況以及電路板的正確性。JTAG的接口信號為:l TCK (Test Clock):用于控制狀態(tài)機及傳遞數(shù)據(jù)。l TMS( Test Mode Select):選擇邊界掃描模式，控制狀態(tài)機測試操作。l DI ( Test Data Input):在TCK的一升沿，接受串行數(shù)據(jù)。l TDO( Test Data Output)：在TCK的下降沿，輸出串行數(shù)據(jù)。 我們采用的是并口下載電纜ByteBlaster，它可以對MAX7000S系列進行在線編程。該下載電纜具有以下幾個部分:與PC機并行口相連的25針插頭、與PCB板插座相連的10針插頭以及25針到10針的變換電路?？捎糜趯崿F(xiàn)波形相位、幅度變換查找表(ROM)結構。DDS主要分為相位累加器、相位/幅度轉換單元(含ROM)、數(shù)模變換器以及低通濾波等幾個部分。相位累加器和相位/幅度轉換單元用CPLD實現(xiàn)，再將輸出外接至DAC器件，最后通過低通濾波器即可得到所需波形。圖2.2-4 CPLD的外圍電路連接圖2.2.2 多波形發(fā)生器的各個波形模塊設計方式簡介數(shù)控分頻器：數(shù)控分頻器的功能是在輸入端輸入不同數(shù)據(jù)時，對輸入時鐘產(chǎn)生不同的分頻比，輸出不同頻率的時鐘，以改變輸出信號的頻率。設計時利用并行預置數(shù)的減法計數(shù)器實現(xiàn)，他的工作原理是：減法計數(shù)器在并行預置數(shù)的基礎上，在時鐘的作用下進行減計數(shù)，當計數(shù)值為零時產(chǎn)生溢出信號，加載預置數(shù)據(jù)，并且將溢出信號作為分頻器的輸出信號，實現(xiàn)分頻信號輸出。其分頻系數(shù)N為預置數(shù)的值。為了得到占空比為50 的矩形時鐘信號，將輸出再進行二分頻。由此，該分頻器的總分頻系數(shù)為2N。三角波波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊：該模塊可設計一個可逆計數(shù)器實現(xiàn)。設計時設置一變量作為工作狀態(tài)標志，在此變量為全0時，當檢測到時鐘的上升沿時進行加同一個數(shù)操作，為全1時，進行減同一個數(shù)操作。由于A/D轉換采用8位的DAC0832芯片，且設64個時鐘為一個三角波周期，則輸出Q每次加8/減8。正弦波波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊：用加法計數(shù)器和譯碼電路完成。首先對幅度為1的正弦波的一個周期分為64個采樣點，根據(jù)正弦波的函數(shù)關系計算得到每一點對應的幅度值，然后量化為8位二進制數(shù)據(jù)，最大值為255，最小值為0，以此得到正弦波波表。加法計數(shù)器生成譯碼電路的64個輸入值，譯碼電路查波表輸出。無論是相位累加器波形合成法還是基于RAM查詢的波形合成法，都可以表示為合成信號的幅度與時間或是相位的關系，信號的幅度坐標存放在波形存儲器中，通過地址發(fā)生器讀取波形數(shù)據(jù)，完成數(shù)字波形。方波波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊：設計一個比較器，經(jīng)過低通濾波器后的正弦波通過它后才能產(chǎn)生方波。通過交替送出全0和全1，并給以32個時鐘延時實現(xiàn)，64個時鐘為一個周期。數(shù)據(jù)選擇器：用CASE語句設計完成。在CORTROL的控制下選擇輸出一種波形數(shù)據(jù)輸出，同時完成兩種波形的線性組合。波形組合是將波形每一時刻的數(shù)值相加，為了不超出DAC0832的輸出范圍，做相應的除2操作。首先由控制寄存器將外部控制器送入的數(shù)據(jù)轉換為頻率和幅度控制字；然后再由分頻器根據(jù)頻率控制字進行分頻并將輸出作為尋址計數(shù)器的時鐘；尋址計數(shù)器的尋址空間為360字節(jié)，可對ROM中的查找表進行尋址；而通過模360加法器可以產(chǎn)生120的相位差。控制寄存器的設計：控制寄存器設計主要是將外部控制器輸入的數(shù)據(jù)轉換為頻率和幅度控制字。分頻比可變的分頻器模塊設計：該設計主要是根據(jù)頻率控制字決定分頻倍數(shù)，從而輸出與頻率控制字相對應的頻率時鐘，此模塊的輸出可作為尋址計數(shù)器的時鐘。尋址計數(shù)器：主要用于產(chǎn)生對ROM尋址輸出波形數(shù)據(jù)的尋址信號，尋址空間為360字節(jié)。 模360加法器設計：此模塊用來產(chǎn)生120的相移，以形成三相相差為120的輸出波形。由于尋址空間為360字節(jié)，故在輸出尋址數(shù)大于360時，須對360取模。查找表ROM設計：此模塊主要用于存儲各種波形數(shù)據(jù)，以便通過尋址計數(shù)器尋址輸出并經(jīng)D/ A轉換來輸出各種波形，其中包括正弦波、三角波、方波。CPLD幅度控制字經(jīng)D/A轉換輸出后，可作為查找表輸出DAC的參考電壓，該參考電壓可通過改變幅度控制字來進行改變，從而改變輸出信號的幅度。圖2.2-5 CPLD的內部結構設計框圖A/D轉換采用了8位的DAC0832芯片。波形的產(chǎn)生是采用直接數(shù)字頻率合成技術DDFS按照不同頻率要求以頻率控制字n為步進對相位增量進行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放于ROM內的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉換和幅度控制，再濾波即可得到波形。輸出波形頻率與尋址脈沖頻率成正比，因此改變脈沖頻率就可以改變輸出波形頻率。D/A轉換電路的電路連接圖主要由DAC0832和 LM324構成，附加了一些電容和電阻增加了其穩(wěn)定性，它先通過DAC0832信號對信號進行數(shù)模轉換，恢復為模擬信號后再由LM324構成的放大電路進行放大處理，使波形發(fā)生器達到預期的效果。圖2.2-6 DAC0832外圍連接圖邏輯時序仿真：利用MAX+PLUX進行系統(tǒng)仿真。在時序波形中，clk為系統(tǒng)的時鐘，這里設定仿真的時鐘為200ns(晶振為12Mhz)；freqin為頻率字輸入，它可以在1-1024取任意值，這里取freqin=l(即相位累加增量=360 /1024=0.35)， 則f。 = 4.88kHz；pha-seina、phaseinb、phaseinc分別為三相互差120的相位字的輸入， 取值分別為：phaseina=0、phaseinb=341、phaseinc=683；romadddr_a、romadddr_b、ro-madddr c分別為三相分時復用電路中的A相、B相和C相的相位值(三相互差)，romadddr_abc為合成一路后的相位值。為了便于在同一波形中可以同時看清輸出數(shù)據(jù)中的各項，對仿真波形進行截取，為約35us-86US時的時序波形，ddsout_abc為查得 E弦表所得的三相混合數(shù)據(jù)，ddsout_a、ddsout_b、ddsout_c分別為數(shù)據(jù)分離后A相、B相和C相的相位對應的幅度值，由三相正弦波幅度之間的相互關系和變化趨勢得知輸出的數(shù)據(jù)是正確的。由于DDS技術是從相位概念出發(fā)，根據(jù)確定的相位的有效字長組合，會產(chǎn)生相位截斷誤差。本設計的相位誤差計算：每相正弦信號輸出延時了2個系統(tǒng)時鐘周期，即At=2Tc。因此相位誤差為：=2*f。*T，則=0.7。(這里設頻率字M=1，字長N=10)。整個系統(tǒng)除晶體振蕩器和A/D轉換外，全部集成在一片CPLD芯片上。它可輸出三相頻率、幅度可調的正弦波、三角波、方波。任意波形模塊可由用戶自行編輯所需波形數(shù)據(jù)，下載到CPLD芯片上，在不改變整個系統(tǒng)硬件連接的情況下，輸出用戶所需的波形。另外由于CPLD具有可編程重置特性，因而可以方便地更換波形數(shù)據(jù)，且簡單易行，帶來極大方便。圖2.2-7 波形仿真圖2.3 調試部分2.3.1 CPLD在使用中遇到的問題CPLD芯片提供了很多個電源引腳，為了減少芯片內部的干擾，盡量在每個電源引腳處加一個退藕電容，一般一個芯片周圍不少于6個電容。CPLD如果不能下載，可能有多種問題，先檢查芯片的各個接地腳和電源腳是否全部連接正確，然后看四個JTAG引腳是否連接正確，可在下載時觀測四個引腳上的信號。對于不使用的全局變量，最好連接到地線。在編譯的時候可能會出現(xiàn)所用的門數(shù)不多，但是編譯通不過的情況，可以把邏輯綜合的選項重新設置一下。在邏輯綜合的時候最好選擇設計環(huán)境中對于特定的芯片所提供的綜合條件，以免造成不必要的麻煩。2.3.2 控制電路的調試對控制電路進行時序仿真，在仿真圖中幾乎總會出現(xiàn)我們所不需要的毛刺，這些毛刺有時會給系統(tǒng)帶來致命的影響，我們必須采取措施消除這樣的毛刺。由于毛刺一般出現(xiàn)在信號發(fā)生電平轉換的時刻，也即輸出信號的建立時間內，而在輸出信號的保持時間內不大會出現(xiàn)。因此，若帶有毛刺的信號持續(xù)時間較長，我們可在輸出信號的持續(xù)時間內用一定寬度的高電平脈沖選通一個與門來獲得該信號，此時毛刺自然已被消除。高電平脈沖可由軟件控制鎖存器來得到。若帶有毛刺的信號保持時間較短，可利用D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺不敏感的特點，在輸出信號的保持時間內用觸發(fā)器讀取輸出信號，此時毛刺自然也已被消除，觸發(fā)器的時鐘沿可由軟件控制地址譯碼器來得到。另外 ，在某些情況下，需要對信號進行一定的延時，以完成特定的功能。利用D觸發(fā)器可在時鐘的控制下對信號進行比較精確的延時，這種方法的最小延時是半個時鐘周期。延時也是消除毛刺的手段之一。2.3.3 DAC電路的調試DAC電路將RAM查找表輸出的離散的數(shù)字信號變換為連續(xù)的模擬信號。所選的芯片為DAC0832，它的分辨率為12bits，建立時間為1us，差分電流輸出。輸出電流在2-20mA內可調。由于電流無法直接測量，所以在DAC0832的輸出端和地之間接有一個20歐的電阻，可將輸出的電流轉換為電壓來測，過程如下：首先向DAC輸入全1的數(shù)據(jù)，測得輸出端11腳的電壓為0.4V；12腳為0.04 V；再向DAC輸入全0的數(shù)據(jù)，測得輸出端管11腳的電壓為0.04 V；12腳為0.4V；說明DAC電路工作正常。2.3.4 程序的調試設計中使用了ALTERA公司提供的配套軟件MAX+PLUSII進行文件的輸入、編譯和下載。MAX+PLUSII的軟件設計主要由設計輸入、項目編譯、項目校驗和器件編程等四部分構成。 MAX+PLUSIIFileNEW Text Editor File/.gdf /.scf輸入程序 保存、編譯 調試程序 編譯、仿真、運行 調試完成后用并口下載線下載程序至CPLD芯片 完成燒入程序后硬件電路的調試 修改、調試程序 完成設計。2.3.5 硬件電路的調試在硬件電路調試中，要注意焊接的藝術和元件的布局，讓整體顯得美觀。不能出現(xiàn)漏焊、錯焊等現(xiàn)象。在燒錄入程序之后，對電路進行測試，看電路是否能達到預期的功能。如果不能，則要進行程序的調試，并檢測電路連接、元件使用等方面的問題，努力排除故障，讓系統(tǒng)功能實現(xiàn)。結 論論文中基于CPLD的波形信號發(fā)生器方面進行