【正文】 基于TLC5620的FPGA波形發(fā)生器設計畢業(yè)論文目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 研究背景 1 研究的目的及意義 2 3 4 6第2章 系統(tǒng)硬件 7 FPGA基本原理 7 9 9 10 12 15第3章 開發(fā)軟件 16 VHDL硬件編程語言 16 開發(fā)軟件QUARTUS II 17 18 22第4章 設計成果 23 23 24 24 27 29 31 33 33 36 38結(jié)論 39參考文獻 40致謝 41附錄1 42附錄2 46附錄3 50附錄4 56I第1章 緒論 第1章 緒論 課題背景 研究背景 波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵、通訊和儀器儀表領域。早在20年代，當電子設備剛出現(xiàn)時，他就出現(xiàn)了。隨著通信和雷達技術的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機的標準信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器從定性分析的測試儀器成為定量分析的測量儀器。同時還出現(xiàn)了可用來測試脈沖電路或用作脈沖調(diào)試器的脈沖信號發(fā)生器。由于早期的信號發(fā)生器的機械結(jié)構比較復雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展比較緩慢。直到1964年才出現(xiàn)了第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。自60年代以來，信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器、程控信號發(fā)生器等新種類。各類信號發(fā)生器的性能指標也有了大幅度的提高，同時在簡化機械結(jié)構、小型化、多功能等各方面也有了顯著的發(fā)展。在70年代前，信號發(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、上弦波等幾種常用標準波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復雜的電路和機電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術，而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復雜的信號波形，則電路結(jié)構非常復雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(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)。在70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D/和D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生更加復雜的波形。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。90年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號為HP770S的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由HP8770A任意波形數(shù)字化和HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實際上也只能產(chǎn)生8中波形，而且價格昂貴。不久以后，Analogic公司推出了型號為Data2020的多波形合成器，Lecroy公司生產(chǎn)的型號為9100的任意波形發(fā)生器等。到了二十一世紀，隨著集成電路技術的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過GHz的DDS芯片，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2003年，Agilent的產(chǎn)品33220A能夠產(chǎn)生17種波形，最高頻率可達到20M，2005年的產(chǎn)品N6030A能夠產(chǎn)生高達500MHz的頻率。 研究的目的及意義當今世界在以電子信息技術為前提下推動了社會跨躍式的進步，科學技術的飛速發(fā)展日新月異帶動了各國生產(chǎn)力的大規(guī)模提高。由此可見科技已成為各國競爭的核心，尤其是電子信息技術更顯得尤為重要，在國民生產(chǎn)各部門電子信息技術得到了廣泛的應用。FPGA（Field Programmable Gate Array）是目前廣泛采用的一種可編程器件[1]，隨著微電子技術的發(fā)展，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）得到了飛速發(fā)展。FPGA的時鐘延遲可達到納秒級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實時測控方面有非常廣闊的應用前景，具有工作速度快、集成度高和現(xiàn)場可編程的優(yōu)點。它的應用不僅使得數(shù)字電路系統(tǒng)的設計非常方便，并且還大大縮短了系統(tǒng)研制的周期，縮小了數(shù)字電路系統(tǒng)的體積和所用芯片的品種。而且它的時鐘頻率已可達到幾百兆赫茲，加上它的靈活性和高可靠性幾乎可將整個設計系統(tǒng)下載于同一芯片中，實現(xiàn)片上系統(tǒng)（SOC），非常適合用于實現(xiàn)波形發(fā)生器的數(shù)字電路。這說明基于FPGA的波形發(fā)生器，有著廣闊的前景。培養(yǎng)FPGA應用人才，特別是在工程技術人員中普及FPGA知識有著重要的現(xiàn)實意義。波形發(fā)生器是信號源的一種，主要給被測電路提供所需要的己知信號，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)。可見信號源在各種實驗應用和試驗測試處理中，它的應用非常廣泛。它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。隨著科技的發(fā)展，對相應的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，波形發(fā)生器己成為測試儀器中至關重要的一類。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器采用專用芯片，成本高，控制方式不靈活。本設計充分利用FPGA靈活的控制、豐富的外設處理能力，實現(xiàn)頻率、幅值可調(diào)的信號的輸出，同時可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復雜的調(diào)頻、和調(diào)幅功能，具有良好的實用性。過去由于頻率很低應用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應用于越來越廣的領域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許州一系列的點、直線和同定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入儲器。同時可以利用一種強有力的數(shù)學方程式輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成產(chǎn)生。從而促進了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術起到了推動作用。日前可以利用可視化編程語言（如Visual Basic，Visual C等等）編寫任意波形發(fā)生器的軟而板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。 波形發(fā)生器與VXI資源結(jié)合。波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡及新近開發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領域需要使用VXI系統(tǒng)測量產(chǎn)生復雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā)VXI模塊的周期長，而且需要專門的VXI機箱的配套使州，使得波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等人型領域。在民用方面，VXI模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。 隨著信息技術蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的同類產(chǎn)品減少了一半。 早在1978年，由美國Wavetek公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為5MHz，可以形成256點（存儲長度）波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為8bit，主要用于振動、醫(yī)療、材料等領域的第一代高性能信號源，經(jīng)過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 波形發(fā)生器是信號源的一種，主要給被測電路提供所需要的己知信號，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘栐丛诟鞣N實驗應用和試驗測試處理中，它的應用非常廣泛。它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。日前我國己經(jīng)開始研制波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。但總的來說，我國波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)。就日前國內(nèi)的成熟產(chǎn)品來看，多為一些PC儀器插卡，獨立的儀器和VXI系統(tǒng)的模塊很少，并且我國目前在波形發(fā)生器的種類和性能都與國外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。當今世界在以電子信息技術為前提下推動了社會跨躍式的進步，科學技術的飛速發(fā)展日新月異帶動了各國生產(chǎn)力的大規(guī)模提高。由此可見科技已成為各國競爭的核心，尤其是電子信息技術更顯得尤為重要，在國民生產(chǎn)各部門電子信息技術得到了廣泛的應用。 EDA的關鍵技術之一就是要求用形式化方法來描述數(shù)字系統(tǒng)的硬件電路，即要用所謂硬件描述語言來描述硬件電路。所以硬件描述語言以及相關的仿真、綜合等技術的研究是當今EDA領域的一個重要課題[2]。在教學實驗和測試中，經(jīng)常需要用到含有特定頻率和幅度的任意函數(shù)波形，而這時候往往需要使用波形發(fā)生器作為信號源，在其他領域，包括自動控制系統(tǒng)設計通信等領域，經(jīng)常需要高精度高頻率且頻率可方便調(diào)節(jié)的正弦波方波三角波等信號作為信號源。但目前常見的函數(shù)發(fā)生器要么是采用分立元件，但系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，要么是采用專用芯片，但成本過高，均有很大的局限性。在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計中，現(xiàn)場可編程器件FPGA和CPLD的使用越來越廣泛[3]。同時，基于大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷腅DA(電子設計自動化)硬件解決方案也被廣泛采用。一般地說，EDA解決方案均采用計算機自頂向下的設計方式，在底層設計時對邏輯進行必要的描述，并依賴特定的軟件執(zhí)行邏輯優(yōu)化與器件映射，最后再使用由各芯片生產(chǎn)廠商提供的編譯器執(zhí)行布線和網(wǎng)格優(yōu)化。雖然對于簡單的邏輯，采用原始邏輯圖或布爾方程輸入可獲得非常好的效果，但對于復雜的系統(tǒng)設計，應用以上方案就容易產(chǎn)生錯誤，而必須依靠一種高層的邏輯，這樣就產(chǎn)生了硬件描述語言HDL，其中符合IEEE 1076標準的VHDL的應用成為新一代EDA解決方案中的首選，是整個電子邏輯系統(tǒng)設計的核心[4]。VHDL最初是美國國防部為其超高速集成電路研究計劃提出的硬件描述語言，目的是為了把電子電路的設計意義以文字或文件的方式保存下來，便于其他人能輕易地了解電路的設計意義?，F(xiàn)在已成為BEG INIEEE的工業(yè)標準硬件描述語言之一[5]。波形發(fā)生器又叫信號發(fā)生器。在現(xiàn)代電子儀器中，信號發(fā)生器是一類十分重要的儀器，隨著電子測量技術與計算機技術的緊密結(jié)合，EDA技術的逐漸嫻熟，各種波形發(fā)生器應運而生。這次的開發(fā)基于TLC5620的FPGA波形發(fā)生器，利用了VHDL硬件描述語言的形式來進行數(shù)字系統(tǒng)的設計，并且利用了EDA軟件QUARTUS II進行編譯優(yōu)化仿真，極大地減少了電路設計時間和可能發(fā)生的錯誤，降低了開發(fā)成本，這種設計方法必將在未來的數(shù)字系統(tǒng)設計中發(fā)揮越來越重要的作用。通過對本設計項目的研究，可以掌握EDA設計流程，提高工程實踐能力。使得所學的專業(yè)知識得到了實踐和運用。針對課題的要求，結(jié)合FPGA控制、LCD字符顯示、DAC芯片驅(qū)動等相關知識，運用VHDL語言描述了一個波形、幅度、頻率均可顯示，而且波形可變、幅度可控、頻率可調(diào)的波形發(fā)生器。論文的結(jié)構安排如下：第1章介紹了課題的研究背景，并對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了概述，介紹了本次課題的目的及意義。第2章介紹了FPGA工作原理，并對這次設計使用的開發(fā)板進行了簡要的介紹。第3章主要描述了在設計中用到的軟件部分，主要介紹了VHDL硬件編程語言和QUARTUS II軟件，并介紹了基于VHDL綜合的FPGA設計流程。第4章主要介紹了本次設計的思想，并描述了各個子模塊的設計方式。最后給出了設計成果。5 第2章 系統(tǒng)硬件第2章 系統(tǒng)硬件 FPGA基本原理現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGA）是一種可編程使用的信號處理器件，用戶可通過改變配置信息對其功能進行定義，以滿足設計需求。與傳統(tǒng)數(shù)電路系統(tǒng)相比，F(xiàn)PGA具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優(yōu)點，通過配置器內(nèi)部的邏輯功能和輸入/輸出端口，將原來電路板級的設計放在芯片中進行，提高了電路性能，降低了印刷電路板設計的工作量和難度，有效提高了設計的靈活性和效率[6]。FPGA的應用使得數(shù)字電路系統(tǒng)設計變的非常的方便，它不但可以縮短開發(fā)周期，還可以進行片上系統(tǒng)設計，提高了系統(tǒng)的可靠性等，目前在電子設計領域有著廣泛的應用。用FPGA 完成函數(shù)發(fā)生器的方法與傳統(tǒng)的方法相比較，硬件結(jié)構是簡單的，大大減小了它的體積和重量，省去了傳統(tǒng)的煩瑣的硬件設計[7]。 圖21芯片邏輯單元通常 FPGA 由布線資源分隔的可編程邏輯單元構成陣列，又由可編程 I/O 單元圍繞陣列構成整個芯片，排成陣列的邏輯單元由布線通道中的可編程內(nèi)連線連接起來實現(xiàn)一定的邏輯功能。目前使用的FPGA 的可編程邏輯單元一般由查找表和觸發(fā)器構成[8]。如圖21芯片邏輯單元所示即為Cyclone系列FPGA芯片的邏輯單元（LE）組成。查找表（LookUpTable）簡稱為 LUT，其本質(zhì)上就是一個靜態(tài)存儲器 SRAM。查找表是這樣實現(xiàn)的：首先 FPGA 開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，然后把結(jié)果事先寫入查找表中，F(xiàn)PGA工作時，輸入信號所進行的邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內(nèi)容后輸出，即實現(xiàn)了該邏輯功能。 當然，對于復雜的設計，一個LUT是無法完成的，F(xiàn)PGA可以通過進位邏輯將多個LUT相連起來，實現(xiàn) n 輸入的查找表，實現(xiàn)設計要求。通俗地說，F(xiàn)PGA就是由查找表、觸發(fā)器和布線資源組成。下圖是一個Cyclon系列FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構，其中一對查找表和觸發(fā)器構成邏輯單元LE，若干個 LE 組成邏輯陣列塊LAB，最后再配上各種布線資源，就是一個 FPGA芯片了。 圖22 FPGA芯片內(nèi)部結(jié)構這次設計我們采用ZRtech的EP2C5T144核心板作為開發(fā)板，這種開發(fā)板都是經(jīng)過設計師與專業(yè)PCB設計人員精心設計而成的，外觀大方，美觀，科學，PCB的焊盤都是