畢業(yè)設計（論文）基于FPGA的波形發(fā)生器、頻率計和數(shù)字電壓表設計

1、 波形發(fā)生器、頻率計和數(shù)字電壓表設計電氣091 王亞運摘要: 本系統(tǒng)以fpga為核心，將波形發(fā)生器、頻率計和數(shù)字電壓表有機結合在一起。fpga具有豐富的資源，使用方便靈活，且易于進行功能擴展，完全可以滿足設計的要求。主要模塊有波形生成模塊、頻率設置模塊、數(shù)模轉換模塊、顯示模塊和濾波網(wǎng)絡。其中fpga用來實現(xiàn)波形表生成和頻率控制；正弦波的數(shù)模轉換由dac8032實現(xiàn)；整形采用三極管s9018來實現(xiàn)；并通過低通濾波器提高輸出波形的質量。本設計采用雙da來控制波形的幅度，實現(xiàn)了幅度連續(xù)可調。 關鍵詞：fpga 雙d/a調幅 數(shù)模轉換 目 錄第一章 系統(tǒng)設計.31.1總體設計方案.31.1.1 設計要

2、求.3 1.1.2 設計思路.3 1.1.3 方案論證與比較.3 1.1.4 系統(tǒng)組成.4第二章 單元電路設計.42.1 波形合成器的設計4 2.1.1 正弦波合成.4 2.1.2 三角波、鋸齒波、矩形波的合成.52.2 頻率與幅度調節(jié)的原理及實現(xiàn)52.2.1 頻率等步進調節(jié)的實現(xiàn).52.2.2 幅度調節(jié)模塊的設計.62.3 波形選擇模塊與鍵盤控制模塊設計62.4 自動換檔模塊設計62.5 模數(shù)轉換電路設計62.6 整形電路設計.7第三章 軟件設計.73.1 正弦波合成器設計.73.1.1 正弦波波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生.73.1.2 波形存儲器的設計.83.2 三角波、矩形波、鋸齒波發(fā)生器及相位累加器.

3、83.3 頻率測量.83.4 鍵盤控制模塊.93.5 波形選擇模塊.93.6 數(shù)字電壓處理模塊.9第四章 系統(tǒng)測試.104.1 波形的測試.104.2 各種波形的測試數(shù)據(jù).104.2.1 波形發(fā)生器.104.2.2 頻率計.10 4.2.3數(shù)字電壓表.11第五章 結 論.11參考文獻.11附錄.11第一章 系統(tǒng)設計1.1 總體方案設計1.1.1設計要求 利用現(xiàn)成的fpga，在一塊電路板上實現(xiàn)波形發(fā)生器、數(shù)字頻率計和數(shù)字電壓表三種功能。而且要求其指標越高越好，所產(chǎn)生的波形越清晰越好。頻率、幅度不限。1.1.2 設計思路 由于要在一個電路里面實現(xiàn)三種功能，因而我們打算分模塊來設計。即分別考慮實現(xiàn)波

4、形發(fā)生器、數(shù)字電壓表和數(shù)字頻率計。然后再將它們有機的結合起來，在一個電路里面實現(xiàn)。這樣設計起來比較容易，也比較好考慮。同時增加了液晶顯示，顯示是什么波形、波形的頻率和電壓幅度，從而實現(xiàn)很好的人機界面。 1.1.3 方案論證與比較 1. 波形發(fā)生器設計方案方案一：采用模擬直接合成法,轉換速度快,頻率分辨力高,但電路復雜,難以集成,發(fā)展受到一定限制.方案二：采用鎖相環(huán)合成法,輸出信號頻率可達到超高頻甚至微波段,且輸出信號頻譜純度較高,但轉換要幾毫秒的時間,速度慢.方案三：采用直接數(shù)字合成器(dds),可用硬件或軟件實現(xiàn)。即用累加器按頻率要求對相應的相位增量進行累加，再以累加相位值作為地址碼，取存放

5、于rom中的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)d/a轉換、濾波即得所需波形。方法簡單，頻率穩(wěn)定度高，易于程控。 分析以上三種方案的優(yōu)缺點，顯然第三種方案具有更大的優(yōu)越性、靈活性，所以采用第三種方案進行設計。 2. 波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方案一：使用visual c+計算正弦波及指定函數(shù)波的n點采樣值，然后寫入到rom中待用。方案二：使用matlab計算上述數(shù)據(jù)。兩種方案都是利用軟件計算波形參數(shù)的較佳方案。vc+對計算值的舍入是直接取整，因此方案一得到的數(shù)據(jù)有較大誤差，而且該方案編程復雜。matlab能對數(shù)據(jù)進行四舍五入，因此方案二得到的數(shù)據(jù)誤差較小，且編程簡單，修改容易，調用方便。因此采用方案二。3. 頻率調節(jié)方案一：通過

6、預置fpga的分頻系數(shù)調節(jié)頻率。方案二：通過預置fpga的分頻系數(shù)以及改變相位步進調節(jié)頻率。方案一的調節(jié)步進只能以指數(shù)形式遞增，對于較高的頻率范圍有較多空白，無法等步進調頻；方案二采用粗調與細調相結合，可以實現(xiàn)等步進調頻，因此選用方案二。4. 幅度調節(jié)方案一：采用可調電阻對電壓分流。該方案簡單，由于其可調電阻不可能太低，因此導致電壓精度不高，且電壓變化范圍較大，安全性比較低。方案二：幅度控制部分采用雙d/a技術，由控制模塊對dac0832置數(shù)，第一級d/a的輸出作為第二級d/a轉換的參考電壓，以此來控制信號發(fā)生器的輸出電壓。該方案結構簡單，易于調整。基于上述理論分析，擬訂方案二。 5. 整形電

7、路 方案一：采用專門的整形網(wǎng)絡整形。該方案得出的波形比較好，頻率也比較高。但電路連接比較麻煩，在此處不適宜。 方案二：采用三極管來實現(xiàn)。利用三極管的導通特性，將輸入的波形變?yōu)榉讲?，以便進行頻率的測量。此方法比較簡單，而且經(jīng)過實踐證明在一定的頻率范圍內確實可得到很好的波形。 綜上，擬訂方案二采用三極管實現(xiàn)整形。 6. 顯示方式選擇方案一：采用led數(shù)碼管顯示。該方案只能顯示有限的符號和數(shù)碼字，而且功耗大。而本設計中要求顯示的內容豐富，不適應利用該方法。方案二：采用字符型lcd顯示。可以顯示英文及數(shù)字，質量輕，耗電小，顯示內容多。綜上，擬定方案二采用lcd實時顯示載頻頻率。 7. 換檔方式選擇 方

8、案一：采用手工換檔。在需要測某個電壓時，選擇適宜的檔位進行測量。此方案使用起來比較麻煩。 方案二：采用自動換檔。利用電阻所分得的電壓與輸入電壓進行比較，產(chǎn)生控制信號實現(xiàn)自動換檔。該方案不需要手動，較為智能化。 基于上述理論分析，顯然方案二更好。因此采用方案二。 1.1.4 綜上方案論證，得到系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。 圖1.1 系統(tǒng)組成框圖 第二章 單元電路設計2.1 波形合成器的設計2.1.1 正弦波合成對一個幅度為1的正弦波的一個周期進行1024點采樣，用matlab計算得到每一點對應的幅度值，然后量化成8位二進制數(shù)據(jù)存放在rom中，理論上，采樣的點數(shù)及量化的位數(shù)越多，合成的波形精確度越高，

9、但是，d/ac0832的位數(shù)只有8位，量化等級最高為256，其量化誤差已能達到要求，對于查正弦表的舍入誤差也可忽略，故不再細分。這里采用1024個采樣點，是為了調頻時能得到較好的波形。依次取出rom中的數(shù)據(jù)，即可得到幅度上是階梯型的正弦波。再經(jīng)過d/a轉換，便可得到連續(xù)的正弦波。2.1.2 三角波、鋸齒波、矩形波的合成由于三角波、鋸齒波、矩形波波形變化是線性，因此不需要進行波形存儲。三角波的產(chǎn)生是使幅度逐次增加一個相位進，一直到最大值后變?yōu)椴街鸫螠p少一個相位步進，如此便產(chǎn)生一個周期的波形，鋸齒波與三角波類似，只是到達最大值后又從0開始。矩形波的產(chǎn)生更為簡單，只需根據(jù)占空比，調節(jié)一個周期內輸出高

10、、低電平的時間即可。2.2 頻率與幅度調節(jié)的原理及實現(xiàn)2.2.1 頻率等步進調節(jié)的實現(xiàn)由于采用ddfs，在rom中存有波形一個周期的n個等間隔歸一化采樣數(shù)據(jù)，改變相位累加器的步進，從而改變對rom中數(shù)據(jù)的讀取速度，即可合成不同頻率的波形，存儲器中存入過量的采樣值，使得采樣點數(shù)較少時，依然能夠得到較好的波形輸出，從而得到較高的頻率輸出。否則，采樣點數(shù)太少會使產(chǎn)生的波形嚴重失真。輸出波形的頻率可由式（2-1）計算： 式（2-1）其中，fosc為晶振頻率，k為分頻系數(shù)，n為相位累加器位數(shù)，s為相位累加器步長。若取fosc32.768mhz,k=50,n16，帶入上式得到f010s（hz）。因此，只要

11、控制s的值就可以準確地實現(xiàn)頻率步進為10hz的等步進調頻。但是，現(xiàn)有的晶振為32mhz，通過實驗測試、比較，可用下式計算頻率： 式（2-2）也能得到10hz精確的等步進調節(jié)，但犧牲了波形的質量，因為65306不是一個2n的數(shù)，這樣波形會漏掉少量采樣點。不過，即使這樣，得到的波形依然很平滑，可以滿足設計要求。若要使頻率調節(jié)步進減小到1hz，對晶振有特殊要求，它的振蕩頻率必須是2的n次冪。由式（2-1）舉例說明累加器位數(shù)不同產(chǎn)生的差異： 式(2-3) 式(2-4)式（2-4）產(chǎn)生的波形將遠遠優(yōu)于式(2-3)，更優(yōu)于我們現(xiàn)在所得到的波形，最高頻率可提高幾倍。另外，由于dac0832的電流建立時間是1

12、s，因此輸出波形的最高頻率由下式?jīng)Q定：因此，要得到更高頻率的波形需使用更高速的d/a轉換器。2.2.2 幅度調節(jié)模塊的設計在幅度控制上，采用了雙d/a轉換來實現(xiàn)幅度調節(jié)，第一級的d/a的電壓輸出作為第圖2.1 雙da調節(jié)二級d/a轉換的參考電壓，其中第一級的輸出電壓值可由鍵盤設置，以此來控制信號的輸出電壓。d/a轉換器的電流建立時間將直接影響到輸出的最高頻率。本系統(tǒng)采用的是dac0832，電流建立時間為1s，在最高頻率點，一個周期輸出64點，因此極限頻率大約是10.32khz，本系統(tǒng)的設計為10.32khz。由于幅度控制用8位d/a控制，最高峰-峰值為10v，因此幅度分辨率為1v。實際電路圖如

13、圖所示。如圖，幅度數(shù)據(jù)由i/o200-207腳輸入第一級dac0832并轉換成電壓信號，由它作為第二級dac0832的參考電壓，幅度比例系數(shù)由i/o176-188腳輸入。2.3 波形選擇模塊與鍵盤控制模塊設計波形選擇用于按鍵選擇輸出的波形類型，采用一個按鍵，每按一次變換一種波形，選到最后一個之后又重頭開始。鍵盤控制模塊連接相位步進累加器和波形選擇模塊，是完成波形選擇與調頻的人機界面。使用有限狀態(tài)機設計，可以減少大量的按鍵，操作簡單。2.4 自動換檔模塊設計 用電阻所分得的電壓與輸入電壓進行比較，產(chǎn)生控制信號實現(xiàn)其自動換檔。此種方法比較智能化，不需要人為的去選擇檔位。但此種方法的設計還有待改進，

14、在實際的設計中還不能很好的實現(xiàn)。2.5 模數(shù)轉換電路設計 為了能很好的測量波形的幅度，將各種波形送入ad0809進行模數(shù)轉換，得到相應的數(shù)字代碼，然后送入fpga處理，并顯示出來。方框圖如下：波形輸入ad轉換fpga處理lcd顯示 圖2.2 模數(shù)轉換 2.6 整形電路 為了能很好的測出各種波形的頻率，在進入fpga以前必須經(jīng)過整形電路整形。本電路采用三極管來完成。利用三極管導通前后的特性，即導通前集電極輸出為高電平，而導通后集電極的輸出只比發(fā)射極高一點，是低電平。以此使輸入波形只有達到某個電壓時才導通，導通后輸出即為低電平。這樣就將輸入波形變成了方波。再將方波送入fpga進行處理。但這種方法也

15、有一定的缺陷，那就是波形的頻率受到三極管的頻帶限制，不能實現(xiàn)高頻的整形。具體電路如下： 圖2.3 整形電路第三章 軟件設計3.1正弦波合成器設計3.1.1 正弦波波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生利用matlab6.5計算波形數(shù)據(jù)，程序及結果如下： step=2*pi/1023; x=0:step:2*pi; y=127.5*sin(x)+127.5; z=round(y)z = columns 1 through 10 128 128 129 130 131 131 132 133 134 135 columns 11 through 20 135 136 137 138 138 139 140 141 142

16、142 columns 1021 through 1024 125 126 127 1273.1.2 波形存儲器的設計使用開發(fā)軟件為xilinx ise 4.2，編程語言為vhdl，仿真工具為modelsim xilinx edition 5.3d xe，程序見附錄。3.2 三角波、矩形波、鋸齒波發(fā)生器及相位累加器三角波、矩形波、鋸齒波發(fā)生器及相位累加器集成于同一個模塊中，程序流程圖如圖3.1所示。程序見附錄。圖3.1 三角波、矩形波、鋸齒波發(fā)生器及相位累加器程序流程3.3 頻率測量一共采用八位計數(shù)，理論上可計50mhz以內的所有頻率。根據(jù)某一位（最低位除外）與其前一位（即判斷是否有溢出顯示位

17、）的數(shù)值，來選擇適當?shù)臋n位，再對頻率值進行測量。實際結果即為在顯示器上顯示被測結果乘以其適當檔位。程序流圖如圖3.1.1。程序見附錄。 圖3.2 頻率測量流程圖3.4 鍵盤控制模塊程序見附錄。3.5 波形選擇模塊程序見附錄。3.6 數(shù)字電壓處理模塊 數(shù)字電壓處理的模塊圖如圖3.3所示。利用了adc0908的四個通道。一個處理0-5v，一個處理5-10v，一個處理10-25v，還有一個處理25-50v。具體程序見附錄。 圖3.3 數(shù)字電壓處理方框圖第四章 系統(tǒng)測試4.1 波形的測試 我們分別測試了三種波形，來觀察他們的幅度、頻率以及波形。在自己做的板子上檢測時，波形出現(xiàn)了晃動，在一段頻率范圍內不

18、能穩(wěn)定。為此一直以為是軟件問題，后來改用學校的那塊fpga板子引出接口進行測量，發(fā)現(xiàn)軟件沒什么問題，波形比較穩(wěn)定，頻率測量也很準。但檢查自己電路時并沒發(fā)現(xiàn)什么錯誤，鎖腳也沒什么錯，可能是板子的某個引腳出了問題。但系統(tǒng)總體來說還是達到設計的要求的，在學校的那塊板子上實現(xiàn)的更好。4.2 各種波形的測試數(shù)據(jù) 由于測試數(shù)據(jù)太多，在此只列出其中一部分。 誤差公式： 其中f0 為理論值，f1為實測值。4.2.1 波形發(fā)生器 表1理論值（hz）實測值（hz）誤差（）理論值（hz）實測值（hz）誤差（）1010.000.0000800798.860.001432020.010.00051000998.250.

19、001753030.010.000320001996.560.001724040.000.000050004984.120.003185050.010.000280007975.560.00305510099.980.000290008970.670.003259200199.890.00061023010189.580.003951500499.570.0086表4.1 正弦波理論值與實測值比較 4.2.2 頻率計 表2理論值（hz）實測值（hz）誤差（）理論值（hz）實測值（hz）誤差（）11.120.1200800799.340.008252020.040.00201000998.570

20、.001433030.080.001220001997.140.001434040.060.001550004985.240.0029525050.020.000480007975.030.00312110099.980.00021mhz999904.690.000095200199.890.00063mhz299842.470.000052500499.570.00094.2.3 數(shù)字電壓表 數(shù)字電壓表可測正也可測負。在具體實現(xiàn)時將負電壓轉換為正電壓進行測量。在此只列出了正電壓的值。理論值可達到50v，但為了安全，只測到25v。由于測量時我們設置的位數(shù)比電源輸入的位數(shù)高許多，在此只取了三位，

21、因而誤差并不是很準確。 表3理論值（v）實測值（v）誤差（）理論值（v）實測值（v）誤差（）0.00.0000.00002.02.0040.00205.05.0120.00248.08.0210.002610.010.0140.001415.014.920.005320.019.890.005525.024.570.0172第五章 結論本系統(tǒng)以fpga芯片為核心部件，將ddfs技術與fpga相結合，實現(xiàn)了各種波形的產(chǎn)生，且波形平滑，無毛刺，質量較高，采用matlab計算波形數(shù)據(jù)，更符合工程要求。且波形的幅度實現(xiàn)了在一定范圍類連續(xù)可調。穩(wěn)定度和精準度在一定范圍內達到要求。而且頻率測量和數(shù)字電壓測

22、量都很準，誤差很低。人機界面經(jīng)過精簡，按鍵少且操作方便。而且為了能有效的實現(xiàn)三種功能，我們自己設計了一些連接電路，但這些電路有些還不夠完善，在測試中還達不到要求，有待進一步改進（如自動換檔）。參考文獻：1. 黃正謹，徐堅，章小麗等.cpld系統(tǒng)設計技術入門與應用【m】. 北京：電子工業(yè)出版社.2002。2. 潘松，黃繼業(yè).eda 技術實用教程【m】.北京：科學出版社.2002。3. 趙俊超等.集成電路設計vhdl教程.【m】.北京.北京希望電子出版社.2002。4. 周俊峰 陳 濤. 基于fpga的直接數(shù)字頻率合成器的設計和實現(xiàn).2003年5. 高書莉、羅朝霞. 可編程邏輯設計技術及應用m.北

23、京：人民郵電出版社，2001年（第一版）。6. 閻石.數(shù)字電子技術基礎m.北京：高等教育出版社，2002年（第四版）。7. 胡恩蔚、高信令、蔡明政.標準集成電路數(shù)據(jù)手冊接口電路【m】北京：電子工業(yè)出版社。1994年第1版 8-90。附錄：1. 數(shù)字電壓表-頂層程序 -文件名：topp.vhd-library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;- uncomment the following lines to use the declarat

24、ions that are- provided for instantiating xilinx primitive components.-library unisim;-use unisim.vcomponents.all;entity topp is port (clk,reset,eoc:in std_logic; d:in std_logic_vector(7 downto 0); lock1,start,oe,ale:out std_logic; access1:out std_logic_vector(2 downto 0); lcdda : out std_logic; lcd

25、rw : out std_logic; lcden : out std_logic; data : inout std_logic_vector(7 downto 0) );end topp;architecture behavioral of topp iscomponent lcd isgeneric(n:integer:=5000; delay:integer:=100); port ( clk,reset: in std_logic; d1,d2,d3,d4,d5,d6: in std_logic_vector(3 downto 0); lcdda : out std_logic; l

26、cdrw : out std_logic; lcden : out std_logic; data : inout std_logic_vector(7 downto 0) );end component;component ad is port (clk,eoc,reset:in std_logic; - clk50mhz是外部32mhz時鐘信號 d:in std_logic_vector(7 downto 0); -adc0809的8位轉換數(shù)據(jù)輸出 lock1,start,oe,ale:out std_logic;access1:out std_logic_vector(2 downto

27、0); -輸出到adc0809的控制信號 dd1,dd2,dd3,dd4,dd5,dd6: out std_logic_vector(3 downto 0); -最終輸出信號end component;signal data1,data2,data3,data4,data5,data6: std_logic_vector(3 downto 0);beginu1:ad port map(clk=clk,reset=reset,eoc=eoc,d=d,lock1=lock1,start=start,oe=oe,ale=ale,access1=access1, dd1=data1,dd2=data2

28、,dd3=data3,dd4=data4,dd5=data5,dd6=data6);u2:lcd port map(reset=reset,clk=clk,d1=data1,d2=data2,d3=data3,d4=data4,d5=data5,d6=data6,data=data,lcdda=lcdda,lcdrw=lcdrw,lcden=lcden);end behavioral;-adc0809驅動-library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsign

29、ed.all;entity ad is port (clk,reset,eoc:in std_logic; - clk50mhz是外部32mhz時鐘信號 d:in std_logic_vector(7 downto 0); -adc0809的8位轉換數(shù)據(jù)輸出 lock1,start,oe,ale:out std_logic;access1:out std_logic_vector(2 downto 0);-輸出到adc0809的控制信號 dd1,dd2,dd3,dd4,dd5,dd6: out std_logic_vector(3 downto 0);-最終輸出信號end ad;archite

30、cture behavioral of ad issignal lock: std_logic;signal qq:std_logic_vector(7 downto 0);type state is (st0,st1,st2,st3);signal current_state1:state;type states is (st0,st1,st2,st3,st4,st5,st6); -定義7個狀態(tài)子類型signal state1,state2:states:=st0; -初始化statessignal reg:std_logic_vector(7 downto 0);signal clk10k

31、: std_logic;signal access2: std_logic_vector(2 downto 0);signal reg2,reg1,regg,reg3: integer range 255 downto 0;signal oe1:std_logic;type states1 is (st0,st1);signal states2:states1:=st0;begin process(clk,reset) -fen pin 5kvariable cnt: integer range 2500 downto 0;begin if reset=0 then cnt:=0;clk10k

32、=2500 then clk10k=1;cnt:=0; else clk10kstate2=st1; ale=0; start=0; oe=0; oe1state2=st2; ale=1; start=0; oestate2=st3; ale=0; start=1; oe ale=0; start=0; oe=0; if eoc=1 then state2=st3; -測試eoc的下降沿 else state2 ale=0; start=0; oe=0; -測試eoc的上升沿，=1表明轉換結束 if eoc=0 then state2=st4; -繼續(xù)等待 else state2state2=

33、st6; ale=0; start=0; oestate2=st0; ale=0; start=0; oe=1; reg=d;oe1state2=st0; ale=0; start=0; oe=0; end case;end process;process(clk,lock)begin if clkevent and clk=1 then qq=qq+1; if qq=01111111 then lock=1;state1=state2;- 01111111 elsif qq01111111 then lock=0; end if; end if; end process;-pro2:proc

34、ess(clk10k,reset,access2) -begin - if reset=0 then-access2 if regg=reg3 then- states2=st0;- else states2 access2states2 if regg=127 then access2=010;else reg2=regg;end if;- reg3if regg=102 then access2=001;else reg2=regg;end if;- reg3 if regg=127 then access2=000; else reg2=regg; end if;-reg3=regg;- reg2=regg;-reg3 -when others =null; -end case; - end if;- access1=access2;-end process; lock1=lock; reg2=conv_integer(reg); -十進制bcd碼轉換；process(clk10k) variable reg1 : intege