基于FPGA的可調(diào)信號(hào)發(fā)生器

摘要：基于FPGA的應(yīng)用技術(shù)，采用Altera公司DE2-70開(kāi)發(fā)板的CycloneⅡ系列EP2C70作為核心器件，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的新型可調(diào)信號(hào)發(fā)生器。通過(guò)QuartusⅡ軟件及Vetilog HDL編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)LPM_ROM模塊定制數(shù)據(jù)ROM，并通過(guò)地址指針讀取ROM中不同區(qū)域的數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取數(shù)據(jù)間隔的不同，實(shí)現(xiàn)調(diào)整頻率功能，該系統(tǒng)可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波4種波形信號(hào)，并使用嵌入式邏輯分析儀對(duì)產(chǎn)生的不同波形信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明，該可調(diào)信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)軟件模擬數(shù)據(jù)和理論定制波形相吻合。
關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器；EP2C70；Vetjlog HDL；FPGA

    傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器大多由模擬電路構(gòu)成，存在連線復(fù)雜、調(diào)試煩瑣且可靠性較差等缺點(diǎn)。以Verilog HDL編程語(yǔ)言和FPGA器件為核心的可調(diào)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)信號(hào)實(shí)時(shí)快速測(cè)量，也為其廣泛應(yīng)用于實(shí)際領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    可調(diào)信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)由頂層模塊、EP2C70器件、控制開(kāi)關(guān)和輸入輸出模塊等部分組成，如圖l所示。在FPGA中實(shí)現(xiàn)的頂層文件包含地址指針和數(shù)據(jù)ROM2部分。其中，數(shù)據(jù)ROM由QuartusⅡ軟件中的LPM_ROM模塊構(gòu)成，能達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，LPM_ROM由FPGA中的EAB或ESB實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)ROM中存儲(chǔ)正弦波、方波、三角波和鋸齒波4種信號(hào)各1個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)(在此選擇1個(gè)周期128個(gè)數(shù)據(jù)樣點(diǎn))，地址指針讀取ROM中不同區(qū)域的數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生不同的波形，并通過(guò)使用嵌入式邏輯分析儀SignalTapⅡ進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。根據(jù)讀取數(shù)據(jù)間隔的不同，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)整頻率的功能。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)
    可調(diào)信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的功能模塊主要由頂層文件(Verilog HDL源程序)和波形數(shù)據(jù)ROM兩部分組成。波形數(shù)據(jù)ROM設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)波形數(shù)據(jù)ROM初始化數(shù)據(jù)文件和定制ROM元件(datarom．v)。
2．1 頂層文件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用Ahera公司的CycloneⅡ系列EP2C70器件作為核心，通過(guò)QuartusⅡ軟件編寫(xiě)Verilog HDL源程序，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波4種波形信號(hào)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換及頻率可調(diào)功能的信號(hào)發(fā)生器。其中control控制產(chǎn)生波形的種類(lèi)，00、0l、10、11分別產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波；i控制讀取數(shù)據(jù)間隔，調(diào)整頻率。產(chǎn)生正弦波的源程序如下：

2．2 波形數(shù)據(jù)ROM初始化數(shù)據(jù)文件設(shè)計(jì)
    初始化數(shù)據(jù)文件格式有2種：Memory Initialization FiIe(．mif)格式文件和Hexadecimal(Intel-Format)File(．hex)格式文件。本設(shè)計(jì)共需要產(chǎn)生4種波形，每種波形1個(gè)周期取128個(gè)數(shù)據(jù)，因此選用．mif格式文件初始化數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)Number為512，數(shù)據(jù)寬度Word size取8位的ROM數(shù)據(jù)。在MATLAB中，調(diào)用wave=round(255*sin([0：2*pi／(2^9)：2*pi])+256)’；函數(shù)，生成．mif文件，如圖2所示。

2．3 定制ROM元件
    在QuartusⅡ中，利用Mega Wizard Plug-In Manager定制波形數(shù)據(jù)ROM，如圖3所示，經(jīng)過(guò)LPM_ROM宏功能塊設(shè)定、選擇dmarom模塊數(shù)據(jù)線寬度和數(shù)據(jù)單元個(gè)數(shù)、選擇地址鎖存信號(hào)clock及數(shù)據(jù)文件完成LPM_ROM設(shè)計(jì)，產(chǎn)生可用于例化的波形數(shù)據(jù)ROM文件datarom．v。

3 軟件系統(tǒng)邏輯仿真
    FPGA中的功能模塊進(jìn)行綜合仿真后，生成配置文件。其系統(tǒng)邏輯功能仿真波形如圖4所示，各信號(hào)的邏輯功能和時(shí)序配合完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 編譯下載
    在將設(shè)計(jì)下載到DE2-70開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證之前，首先要進(jìn)行引腳鎖定，通過(guò)Assignments Editor依次對(duì)所有15個(gè)引腳進(jìn)行鎖定，其中PIN_-AA23和PIN_AB26分別對(duì)應(yīng)control[0]和control[l]DE2-70開(kāi)發(fā)板上的SW0和SWl控制4種波形的選擇，具體引腳鎖定如圖5所示。

    將編譯產(chǎn)生的下載文件(．sof)配置進(jìn)FPGA中，通過(guò)選擇DE2-70開(kāi)發(fā)板的JTAG方式和USB BlasterⅡ編程線進(jìn)行編程下載，為使用嵌入式邏輯分析儀實(shí)時(shí)測(cè)試所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器做好準(zhǔn)備。

5 綜合分析
    SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀提供了一種對(duì)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試的方法，它可以隨設(shè)計(jì)文件一起下載到目標(biāo)芯片中，用以捕捉目標(biāo)芯片中有關(guān)信號(hào)節(jié)點(diǎn)處的信息，而不影響芯片的正常工作。SignalTapⅡ?qū)y(cè)試得到的信號(hào)暫存于目標(biāo)器件的片內(nèi)RAM中，再通過(guò)器件的JTAG端口和USBBlasterⅡ編程線將采得的信號(hào)傳出，以供計(jì)算機(jī)分析。
    下載成功后，設(shè)定DE2-70開(kāi)發(fā)板的工作模式和恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，使計(jì)數(shù)器正常工作(inclock頻率設(shè)為750kHz)，啟動(dòng)SignalTapⅡ進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)改變輸入控制信號(hào)得到如圖6所示的4種信號(hào)波形圖。改變i的取值，可看到信號(hào)頻率也會(huì)隨之變化。

6 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)充分利用FPGA具有的靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)可系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件功能像軟件一樣通過(guò)編程修改，從而提高開(kāi)發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)軟件模擬數(shù)據(jù)和理論定制波形相吻合，頻率調(diào)節(jié)方便，僅在波形光滑程度上存在很小誤差，但這不影響設(shè)計(jì)結(jié)果、波形的觀察和測(cè)量以及該可調(diào)信號(hào)發(fā)生器的使用。通過(guò)增加采樣點(diǎn)的數(shù)量及提高程序語(yǔ)句的精確與簡(jiǎn)練度，可減少誤差影響。