VHDL正弦信号发生器设计.doc

1、本科生毕业论文(设计)VHDL正弦信号发生器设计院系名称姓名学号专业指导教师第一章 绪论11.1 课题的研究背景与意义11.2 课题的国内外研究现状11.3 本文主要研究内容2第二章 主要工具及其应用42.1 硬件设计技术42.2 常用工具52.2.1 EDA52.2.2 VHDL62.2.3 DAC083272.3 本章小结7第三章 系统设计与实现83.1倍频器模块83.2主程序模块83.3 波形显示模块83.4 频率显示模块9第四章 软件仿真10第五章 硬件测试115.1 编译115.2 引脚的锁定115.3 编程下载125.4 硬件验证125.5 波形显示13参考文献第一章 绪论1.1

2、课题的研究背景与意义信号发生器作为一种常用的信号源，在现代通信领域和测量领域得到广泛的应用。本文设计了基本设计方案，在现有单一信号发生器的基础上，加上其它信号模块，通过组合与设计，用数模转换器（D/A）将选中的信号源发出的信号由数字信号转换为模拟信号，再用示波器显示出来，其信号发生器的结构框图如图1-1所示。图1-1 信号发生器结构框图1.2 课题的国内外研究现状 信号发生器从上世纪20年代诞生发展到如今先后经历了模拟式信号发生器-数字式信号发生器-虚拟信号发生器三个发展阶段。 从40年到60年代期间，信号发生器主要采用以电子管工艺为基础的模拟电路构成;到了60年代中期，随着晶体管工艺的出现、

3、大规模和超大规模集成电路的应用，使信号发生器得到了一定的发展，其信号的输出精度得到一定提高。 到了70年代微处理器出现以后，使得信号发生器的产生方法发生了改变;这个时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。1.3 本文主要研究内容在本次的设计中是按模块来实现的，设计总共分为三大步骤完成：（1）产生正弦波波形信号；（2）频率的控制；（3）显示频率值。利用VHDL编程，依据基本数字电路模块原理进行整合。 系统各部分所需工作时钟信号由输入系统时钟信号经分频得到，系统时钟输入端应满足输入脉冲信号的要求。频率控制模块可以实现频率的连续可调，最终送至脉冲

4、发生模块输出脉冲信号，同时将信号的频率输出至数码管显示当前信号的频率值，达到设计所要求的输出波形频率可调功能。 如图1-2所示：分频进程有显示频率功能结束频率范围选择频率值调节频率值显示波形输出开始正弦波中间信号始化数据定义 图1-2第二章 主要工具及其应用EDA电子设计技术的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。VHDL VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次,支持结构、数据流和行为三

5、种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。DAC0832DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。第三章 系统设计与实现3.1倍频器模块由于要求简易正弦波信号发生器输出频率达到1MHZ，所以实验箱上的20MHZ的输出过低，无法达到要求。此时可以采用一个倍频器将20MHZ的频率输出加倍成为128MHZ的频率输出

6、。具体通过Quartus II 9.0软件所做的模块原理图如图3-1所示：图3-1 倍频器模块原理图3.2主程序模块主程序用来实现系统的主要功能，包括波形定义分频、频段选择、频率调节以及频率输出等。主程序见附录1。主程序原理图如图3-2所示：图3-2主程序模块原理图其中clk信号为20MHZ的信号经过加倍后的128MHZ的频率。Key1、key2为频率调节按钮，key1接按键，当按动key1频率值加1或者减1；key2接拨码开关，用来加减选择，当key2=1时为加，当key2=0时为减。sel_p1.0为频段选择信号，当sel_p1.0=00、01、10时，其频段分别为0HZ-1KHZ、1KH

7、Z-10KHZ、10KHZ-1MHZ。3.3 波形显示模块波形显示部分使用的是实验箱上的D/A转换器，将主程序模块的dout7.0八位二进制输出接D/A转换器的输入，从而转化为模拟信号，将D/A转换器的输出接示波器的输入，通过示波器显示观察。3.4 频率显示模块频率显示部分使用了一个二进制十六进制转化显示译码器，将主程序中输出的xianshi19.0这20位二进制段码输出转化为十六进制数显示在数码管上。图3-4 频率显示模块原理图第四章 软件仿真们将程序中的test值改为1，这样可以得到完整的仿真图，而且不改变程序原理。在实验时将，任意所取的频段如下所示，其中第一频段的初值设置为300HZ，第

8、二频段的初值设置为3000HZ，第三频段的初值设置为30000HZ。图4-1 第一频段下的正弦波仿真图图4-2 第二频段下的正弦波仿真图图4-3 第三频段下的正弦波仿真图第五章 硬件测试5.1 编译(1)选择目标器件 Assign-Device-DeviceFamily-MAX7000S-EPM7128SLC84-6-OK图 5-1 器件选择窗口(2)启动编译器 Max+PlusII-Compiler-Start将以上模块分别编译通过，并将它们全部保存到自己所建的工程文件夹:axc_xh中。5.2 引脚的锁定确定设计实体输入输出端口与目标芯片引脚的对应关系。图5-2 引脚锁定界面图5-3 引脚

9、锁定界面5.3 编程下载1用下载电缆把计算机的并口与目标板（实验开发系统），连接好并打开电源。2.将已经完成好的顶层原理图设一次当前工程，然后将其在Max+plus-Compiler下编译一次，将引脚锁定图在Max+plus-FloorplanEditor中打开，再编译一次管脚。3. Max+plus-Programmer-Option-Hardware Setup-ByteBlaster(编程方式为)-Configute，双击Enter键，进行硬件验证。5.4 硬件验证下载完成后，把示波器连接到实验箱上，并在实验箱上选择适当的时钟频率（以示波器上显示的波形清晰为标准）。然后分别记录下各自频率

10、值在示波器上所对应的波形。图5-4 实验箱上的连线图5.5 波形显示本次EDA课程设计的输出是由DA0832将数字信号转化为模拟信号，再由示波器显示波形输出。当引脚锁定完毕后，将程序下载到试验箱中，连好示波器，在输入端输入相应的值即可得到相应的输出波形。具体的硬件仿真波形如下：图5-5 100HZ的正弦波硬件仿真结果如上图所示，本次仿真采64个点所以有的波形不是很光滑，若需要更平滑的波形，可以增加采样点数；而且当频率较高时各种波形会出现失真，示波器上不显示稳定的波形；在硬件运行时产生的干扰，也会导致波形的混乱。图5-6 1K的正弦波硬件仿真结果图5-7 10K的正弦波硬件仿真结果第六章 总结与

11、展望通过这次设计，不仅对以前学过的许多理论知识进行了很全面的检验，明白了许多知识的具体应用，而且还学会了许多新知识，最起码熟悉了DAC0832的功能。对EDA技术理解又有了一次的提升。从本次设计中我还学到了以后的学习中要大胆尝试，小心求证。一旦自己有了一种新的想法一定要非常小心的去检验，发现错误，改正错误，最终达到自己想要的结果。在现代电子测量技术的研究及应用领域中，常常需要高精度且频率可调的信号源。而随着硬件技术的提升和硬件设计技术的日渐成熟，为这类信号发生器的设计与实现提供了理论依据与技术支持。信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、方波、锯齿波、正弦波的仪器。信号发生器在电路实验和设备检测以及通信、雷达、导航、宇航等领域有广泛的应用。参考文献1 EDA技术及应用.西安：电子电子科技大学出版社1 潘松,黄继业.EDA技术实用教程.北京：科学出版社,2010.62 刘江海.EDA技术课程设计.武汉：华中科技大学出版社,2009.53 姜雪松.VHDL设计实例与仿真.北京：机械工业出版社，2007.14 陈耀和.VHDL语言设计技术.北京：电子工业出版社，2004.35 谭会生, 张昌凡.EDA技术及应用.西安：西安电子科技大学出版社2004.46 Volnei A. pedroni 著, 乔庐峰,王志功等译.VHDL数字电路设计教程.北京：电子工业出版社 2005.9致谢