【正文】 1 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 2020 屆 ） 題 目 基于 EDA 的 智能函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 物理電氣信息學(xué)院 專 業(yè) 年 級(jí) 2020 級(jí) 學(xué)生學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2020 年 5 月 5 日 1 基于 EDA 的智能函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 摘 要 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中的通用信號(hào)源。隨著現(xiàn)代測(cè)量和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)相應(yīng)的測(cè)試儀器和測(cè)試手段也有了更高的要求，因此，設(shè)計(jì)一款精確度高、穩(wěn)定性好、靈活便捷的函數(shù)發(fā)生器具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 本課題以硬件描述語(yǔ)言 VHDL 為開發(fā)語(yǔ)言，通過 Altera 公司的QuartusII 軟件環(huán)境完成了頻率可調(diào)的智能函數(shù)發(fā)生器的程序設(shè)計(jì) ,并進(jìn)行了邏輯綜合，仿真，設(shè)計(jì)了一種可 以產(chǎn)生遞增斜波、遞減斜波、梯形波、正弦波、方波、三角波六種常用信號(hào)的函數(shù)發(fā)生器。波形頻率穩(wěn)定，通過波形選擇開關(guān)選擇波形，而且輸出的波形信息是用 8 位二進(jìn)制數(shù)字表示的，可以達(dá)到預(yù)期的效果。 文章最后給出了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明，所選擇的設(shè)計(jì)方案是可行的。而且由于設(shè)計(jì)采用了 EDA 技術(shù)，縮短了開發(fā)研制周期，提高了設(shè)計(jì)效率，使系統(tǒng)具有該函數(shù)信號(hào)發(fā)生器具有輸出穩(wěn)定，設(shè)計(jì)靈活 ,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 ,性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 函數(shù)發(fā)生器 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 硬件描述語(yǔ)言 QUARTUSII 2 DESIGN OF INTELLIGENT FUNCTION GENERATOR BASED ON EDA ABSTRACT Function signal generator is a mon signal source that is widely used in electronic measurement and scientific research. With the development of the modern measurement and modern munication technology, the equipment and method of corresponding test have a higher requirement. Therefore, designing a high accuracy, good stability, flexible and convenient function generator has a very high value. The design of intelligent function generator with adjustable frequency is based on the hardware description language VHDL, and pleted the programming, logic synthesis and simulation by the QUARTUS II software which is made in a corporation named Altera. This topic can generate six monly used signals, for example, increasing oblique wave, decreasing oblique wave, trapezoidal wave, sine wave, square wave and triangle wave. This design with stable frequency of the waveform can select the waveform by the waveform selector switch. The waveform information of output can reach the expected effect. Finally, the test result of the entire system is given and shows that the simulation of design plan meets scheme design. What’s more, with EDA 3 technology, the design has the advantage of stable output, facility design, convenient operation, high reliability and the design efficiency is also improved. KEY WORDS: function generator EDA VHDL QuartusII1 目 錄 第一章 緒論 ...............................................................1 課題研究現(xiàn)狀與意義 ..................................................1 課題主要內(nèi)容及目標(biāo) ..................................................2 第二章 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹 ...................................................3 EDA 技術(shù) .............................................................3 FPGA 技術(shù) ............................................................3 FPGA 的發(fā)展 .....................................................3 FPGA 設(shè)計(jì)原理 ...................................................4 硬件描述語(yǔ)言相關(guān)介紹 ................................................6 硬件描述語(yǔ)言 HDL................................................6 VHDL 語(yǔ)言 .......................................................7 開發(fā)工具介紹 ........................................................8 第三章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ......................................................10 系統(tǒng)整體方案 .......................................................10 軟件設(shè)計(jì) ...........................................................10 第四章 波形模塊的設(shè)計(jì)和仿真 ..............................................11 遞增斜波信號(hào)產(chǎn)生模塊 ...............................................12 遞減斜波信號(hào)產(chǎn)生模塊 ...............................................12 三角波信號(hào)產(chǎn)生模塊 .................................................13 梯形波信 號(hào)產(chǎn)生模塊 .................................................14 方波信號(hào)產(chǎn)生模塊 ...................................................14 正弦波信號(hào)產(chǎn)生模塊 .................................................15 函數(shù)選擇器模塊 .....................................................16 函數(shù)發(fā)生器的頂層設(shè)計(jì) ...............................................17 第五章 結(jié)束語(yǔ) ............................................................19 總結(jié) ...............................................................19 心得體會(huì) ...........................................................19 參考文獻(xiàn) ................................................................20 附錄 :VHDL 源程序清單 ......................................................211 第一章 緒論 課題研究 現(xiàn)狀 與意義 函數(shù)發(fā)生器也成為信號(hào)發(fā)生器，作為電子系統(tǒng)的重要組成部分 ，廣泛應(yīng)用于電子電路、工業(yè)控制、教學(xué)科研等領(lǐng)域，它為電子測(cè)量和計(jì)量工作提供符合技術(shù)要求的電信號(hào)，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中起著極其重要的作用 [1]。和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣是最普通、最基本也是應(yīng)用最廣泛的電子儀器之一，幾乎所有電參量的測(cè)量都要用到波形發(fā)生器。 函數(shù)發(fā)生器在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品開發(fā)、科學(xué)研究等實(shí)驗(yàn)測(cè)試中起著十分重要的作用，除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的測(cè)試 [4]。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代的電子測(cè)量、通信系統(tǒng)越來(lái)越需要有高穩(wěn)定度、高純度的信號(hào)源。但是傳統(tǒng)的信號(hào) 發(fā)生器大多采用專用芯片或單片機(jī)或模擬電路，存在成本高或控制方式不靈活或波形種類少等問題，其性能己經(jīng)難以滿足現(xiàn)在的要求[2]?，F(xiàn)在不僅要求能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波形，而且要求函數(shù)發(fā)生器的輸出波形質(zhì)量好，頻率穩(wěn)定。 一般傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來(lái)產(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率。這種信號(hào)發(fā)生器雖然具有輸出信號(hào)頻率范圍寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但輸出波形單一，且頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度較差不能達(dá)到我們的要求。因此傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器正逐步退出歷史舞臺(tái)。由此可見，為適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求，研究制作高性能 的智能函數(shù)發(fā)生器意義重大。 智能函數(shù)發(fā)生器即通常所說(shuō)的信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，是指自動(dòng)產(chǎn)生遞增諧波、遞減諧波、方波、三角波、正弦波等函數(shù)信號(hào)波形的電路和儀器。在 70年代前，信號(hào)發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時(shí)，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。主要表現(xiàn)為兩 個(gè)突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié) [16]。 隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的函數(shù)發(fā)生器盡可能多的采用直接數(shù)字頻率合成 (DDS)的方法產(chǎn)生所需要的波形。直接數(shù)字頻率合成是由 J. Tierney和. Rader于 1971年提出的技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是它的輸出頻率、相位和幅度能夠在數(shù)字處理器的控制下精確而快速地變換，并且相位變化連續(xù)，易于集成和調(diào)整 [16]?；贒DS的函數(shù)發(fā)生器現(xiàn)在不僅可以執(zhí)行函數(shù)發(fā)生器的功能，還可以執(zhí)行任意 函數(shù)發(fā)生器 2 的功能，這將給傳統(tǒng)測(cè)試方案帶來(lái)一次革命 [14]。由于 FPGA實(shí)現(xiàn) DDS技術(shù)在一些方面存在著 DDS芯片不能取代的優(yōu)勢(shì)，并且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè) DDS芯片的功能，除了能滿足用戶對(duì)特殊功能的要求外，還可以在器件選擇上有更大的選擇余地。 在 90年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的函數(shù)發(fā)生器、但是 HP公司推出了型號(hào)為 HP77OS的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A任意波形數(shù)字化和 HP1776A波形發(fā)生軟件組成。 HP877OA實(shí)際上也只能產(chǎn)生 8種波形，而且價(jià)格昂貴。不久以后，Analogic公司推出了型號(hào)為 Data2020的多波形合成器， Leeroy公司生產(chǎn)的型號(hào)為 9100的任意波形發(fā)生器等 [2]。 到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工芯片，同時(shí)也推動(dòng)了函數(shù)波形發(fā)