【正文】 基于TLC5620的FPGA波形發(fā)生器設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)軟件 16 VHDL硬件編程語(yǔ)言 16 開(kāi)發(fā)軟件QUARTUS II 17 18 22第4章 設(shè)計(jì)成果 23 23 24 24 27 29 31 33 33 36 38結(jié)論 39參考文獻(xiàn) 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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和用戶(hù)定義信號(hào)，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)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(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號(hào)，還可對(duì)頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動(dòng)態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、震動(dòng)激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。早在20年代，當(dāng)電子設(shè)備剛出現(xiàn)時(shí)，他就出現(xiàn)了。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測(cè)試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器從定性分析的測(cè)試儀器成為定量分析的測(cè)量?jī)x器。同時(shí)還出現(xiàn)了可用來(lái)測(cè)試脈沖電路或用作脈沖調(diào)試器的脈沖信號(hào)發(fā)生器。由于早期的信號(hào)發(fā)生器的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡(jiǎn)單，因此發(fā)展比較緩慢。直到1964年才出現(xiàn)了第一臺(tái)全晶體管的信號(hào)發(fā)生器。自60年代以來(lái)，信號(hào)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(hào)發(fā)生器、合成信號(hào)發(fā)生器、程控信號(hào)發(fā)生器等新種類(lèi)。各類(lèi)信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)也有了大幅度的提高，同時(shí)在簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、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(hào)發(fā)生器主要有兩類(lèi)：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類(lèi)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(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。同時(shí)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)突出問(wèn)題，一是通過(guò)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)。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(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì)DAC的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。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HP770S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。HP8770A實(shí)際上也只能產(chǎn)生8中波形，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，Lecroy公司生產(chǎn)的型號(hào)為9100的任意波形發(fā)生器等。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)了多種工作頻率可過(guò)GHz的DDS芯片，同時(shí)也推動(dòng)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(dá)到20M，2005年的產(chǎn)品N6030A能夠產(chǎn)生高達(dá)500MHz的頻率。 研究的目的及意義當(dāng)今世界在以電子信息技術(shù)為前提下推動(dòng)了社會(huì)跨躍式的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展日新月異帶動(dòng)了各國(guó)生產(chǎn)力的大規(guī)模提高。由此可見(jiàn)科技已成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的核心，尤其是電子信息技術(shù)更顯得尤為重要，在國(guó)民生產(chǎn)各部門(mén)電子信息技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)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(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）得到了飛速發(fā)展。FPGA的時(shí)鐘延遲可達(dá)到納秒級(jí)，結(jié)合其并行工作方式，在超高速、實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景，具有工作速度快、集成度高和現(xiàn)場(chǎng)可編程的優(yōu)點(diǎn)。它的應(yīng)用不僅使得數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)鐘頻率已可達(dá)到幾百兆赫茲，加上它的靈活性和高可靠性幾乎可將整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)下載于同一芯片中，實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（SOC），非常適合用于實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的數(shù)字電路。這說(shuō)明基于FPGA的波形發(fā)生器，有著廣闊的前景。培養(yǎng)FPGA應(yīng)用人才，特別是在工程技術(shù)人員中普及FPGA知識(shí)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。波形發(fā)生器是信號(hào)源的一種，主要給被測(cè)電路提供所需要的己知信號(hào)，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)?？梢?jiàn)信號(hào)源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和試驗(yàn)測(cè)試處理中，它的應(yīng)用非常廣泛。它不是測(cè)量?jī)x器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵(lì)源，仿真各種測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，以滿(mǎn)足測(cè)量或各種實(shí)際需要。隨著科技的發(fā)展，對(duì)相應(yīng)的測(cè)試儀器和測(cè)試手段也提出了更高的要求，波形發(fā)生器己成為測(cè)試儀器中至關(guān)重要的一類(lèi)。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器采用專(zhuān)用芯片，成本高，控制方式不靈活。本設(shè)計(jì)充分利用FPGA靈活的控制、豐富的外設(shè)處理能力，實(shí)現(xiàn)頻率、幅值可調(diào)的信號(hào)的輸出，同時(shí)可以根據(jù)需要方便地實(shí)現(xiàn)各種比較復(fù)雜的調(diào)頻、和調(diào)幅功能，具有良好的實(shí)用性。過(guò)去由于頻率很低應(yīng)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(yīng)用于越來(lái)越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開(kāi)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(diǎn)、直線(xiàn)和同定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入儲(chǔ)器。同時(shí)可以利用一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程式輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個(gè)比較簡(jiǎn)單的公式復(fù)合成產(chǎn)生。從而促進(jìn)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(jì)算機(jī)語(yǔ)言的飛速發(fā)展也對(duì)任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動(dòng)作用。日前可以利用可視化編程語(yǔ)言（如Visual Basic，Visual C等等）編寫(xiě)任意波形發(fā)生器的軟而板，這樣允許從計(jì)算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來(lái)實(shí)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(dú)立的臺(tái)式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卡及新近開(kāi)發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線(xiàn)的逐漸成熟和對(duì)測(cè)量?jī)x器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用VXI系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生復(fù)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(kāi)發(fā)VXI模塊的周期長(zhǎng)，而且需要專(zhuān)門(mén)的VXI機(jī)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(guó)防等人型領(lǐng)域。在民用方面，VXI模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺(tái)式儀器更為方便。 隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來(lái)。不過(guò)現(xiàn)在新的臺(tái)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(tái)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(jià)格，都比過(guò)去的同類(lèi)產(chǎn)品減少了一半。 早在1978年，由美國(guó)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(diǎn)（存儲(chǔ)長(zhǎng)度）波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為8bit，主要用于振動(dòng)、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號(hào)源，經(jīng)過(guò)將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)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(lái)越簡(jiǎn)單而輸出波形的能力越來(lái)越強(qiáng)。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(hào)源的一種，主要給被測(cè)電路提供所需要的己知信號(hào)，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)?？梢?jiàn)信號(hào)源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和試驗(yàn)測(cè)試處理中，它的應(yīng)用非常廣泛。它不是測(cè)量?jī)x器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵(lì)源，仿真各種測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，以滿(mǎn)足測(cè)量或各種實(shí)際需要。日前我國(guó)己經(jīng)開(kāi)始研制波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)波形發(fā)生器還沒(méi)有形成真正的產(chǎn)業(yè)。就日前國(guó)內(nèi)的成熟產(chǎn)品來(lái)看，多為一些PC儀器插卡，獨(dú)立的儀器和VXI系統(tǒng)的模塊很少，并且我國(guó)目前在波形發(fā)生器的種類(lèi)和性能都與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對(duì)這類(lèi)產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。當(dāng)今世界在以電子信息技術(shù)為前提下推動(dòng)了社會(huì)跨躍式的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展日新月異帶動(dòng)了各國(guó)生產(chǎn)力的大規(guī)模提高。由此可見(jiàn)科技已成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的核心，尤其是電子信息技術(shù)更顯得尤為重要，在國(guó)民生產(chǎn)各部門(mén)電子信息技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。 EDA的關(guān)鍵技術(shù)之一就是要求用形式化方法來(lái)描述數(shù)字系統(tǒng)的硬件電路，即要用所謂硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述硬件電路。所以硬件描述語(yǔ)言以及相關(guān)的仿真、綜合等技術(shù)的研究是當(dāng)今EDA領(lǐng)域的一個(gè)重要課題[2]。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)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(shí)候往往需要使用波形發(fā)生器作為信號(hào)源，在其他領(lǐng)域，包括自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信等領(lǐng)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(hào)作為信號(hào)源。但目前常見(jiàn)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(zhuān)用芯片，但成本過(guò)高，均有很大的局限性。在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，現(xiàn)場(chǎng)可編程器件FPGA和CPLD的使用越來(lái)越廣泛[3]。同時(shí)，基于大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷腅DA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)硬件解決方案也被廣泛采用。一般地說(shuō)，EDA解決方案均采用計(jì)算機(jī)自頂向下的設(shè)計(jì)方式，在底層設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)邏輯進(jìn)行必要的描述，并依賴(lài)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(xiàn)和網(wǎng)格優(yōu)化。雖然對(duì)于簡(jiǎn)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(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用以上方案就容易產(chǎn)生錯(cuò)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(yǔ)言HDL，其中符合IEEE 1076標(biāo)準(zhǔn)的VHDL的應(yīng)用成為新一代EDA解決方案中的首選，是整個(gè)電子邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心[4]。VHDL最初是美國(guó)國(guó)防部為其超高速集成電路研究計(jì)劃提出的硬件描述語(yǔ)言，目的是為了把電子電路的設(shè)計(jì)意義以文字或文件的方式保存下來(lái)，便于其他人能輕易地了解電路的設(shè)計(jì)意義?，F(xiàn)在已成為BEG INIEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言之一[5]。波形發(fā)生器又叫信號(hào)發(fā)生器。在現(xiàn)代電子儀器中，信號(hào)發(fā)生器是一類(lèi)十分重要的儀器，隨著電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合，EDA技術(shù)的逐漸嫻熟，各種波形發(fā)生器應(yīng)運(yùn)而生。這次的開(kāi)發(fā)基于TLC5620的FPGA波形發(fā)生器，利用了VHDL硬件描述語(yǔ)言的形式來(lái)進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且利用了EDA軟件QUARTUS II進(jìn)行編譯優(yōu)化仿真，極大地減少了電路設(shè)計(jì)時(shí)間和可能發(fā)生的錯(cuò)誤，降低了開(kāi)發(fā)成本，這種設(shè)計(jì)方法必將在未來(lái)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的研究，可以掌握EDA設(shè)計(jì)流程，提高工程實(shí)踐能力。使得所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)得到了實(shí)踐和運(yùn)用。針對(duì)課題的要求，結(jié)合FPGA控制、LCD字符顯示、DAC芯片驅(qū)動(dòng)等相關(guān)知識(shí)，運(yùn)用VHDL語(yǔ)言描述了一個(gè)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(gòu)安排如下：第1章介紹了課題的研究背景，并對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)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(duì)這次設(shè)計(jì)使用的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。第3章主要描述了在設(shè)計(jì)中用到的軟件部分，主要介紹了VHDL硬件編程語(yǔ)言和QUARTUS II軟件，并介紹了基于VHDL綜合的FPGA設(shè)計(jì)流程。第4章主要介紹了本次設(shè)計(jì)的思想，并描述了各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)方式。最后給出了設(shè)計(jì)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(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGA）是一種可編程使用的信號(hào)處理器件，用戶(hù)可通過(guò)改變配置信息對(duì)其功能進(jìn)行定義，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(diǎn)，通過(guò)配置器內(nèi)部的邏輯功能和輸入/輸出端口，將原來(lái)電路板級(jí)的設(shè)計(jì)放在芯片中進(jìn)行，提高了電路性能，降低了印刷電路板設(shè)計(jì)的工作量和難度，有效提高了設(shè)計(jì)的靈活性和效率[6]。FPGA的應(yīng)用使得數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)變的非常的方便，它不但可以縮短開(kāi)發(fā)周期，還可以進(jìn)行片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性等，目前在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(gòu)是簡(jiǎn)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(shè)計(jì)[7]。 圖21芯片邏輯單元通常 FPGA 由布線(xiàn)資源分隔的可編程邏輯單元構(gòu)成陣列，又由可編程 I/O 單元圍繞陣列構(gòu)成整個(gè)芯片，排成陣列的邏輯單元由布線(xiàn)通道中的可編程內(nèi)連線(xiàn)連接起來(lái)實(shí)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(gòu)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(jiǎn)稱(chēng)為 LUT，其本質(zhì)上就是一個(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)器 SRAM。查找表是這樣實(shí)現(xiàn)的：首先 FPGA 開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，然后把結(jié)果事先寫(xiě)入查找表中，F(xiàn)PGA工作時(shí)，輸入信號(hào)所進(jìn)行的邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容后輸出，即實(shí)現(xiàn)了該邏輯功能。 當(dāng)然，對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，一個(gè)LUT是無(wú)法完成的，F(xiàn)PGA可以通過(guò)進(jìn)位邏輯將多個(gè)LUT相連起來(lái)，實(shí)現(xiàn) n 輸入的查找表，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。通俗地說(shuō)，F(xiàn)PGA就是由查找表、觸發(fā)器和布線(xiàn)資源組成。下圖是一個(gè)Cyclon系列FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中一對(duì)查找表和觸發(fā)器構(gòu)成邏輯單元LE，若干個(gè) LE 組成邏輯陣列塊LAB，最后再配上各種布線(xiàn)資源，就是一個(gè) FPGA芯片了。 圖22 FPGA芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)這次設(shè)計(jì)我們采用ZRtech的EP2C5T144核心板作為開(kāi)發(fā)板，這種開(kāi)發(fā)板都是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師與專(zhuān)業(yè)PCB設(shè)計(jì)人員精心設(shè)計(jì)而成的，外觀大方，美觀，科學(xué)，PCB的焊盤(pán)都是