EDA實(shí)驗(yàn) 正弦波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì).doc

實(shí)驗(yàn)八 正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、 學(xué)習(xí)用VHDL設(shè)計(jì)波形發(fā)生器和掃頻信號(hào)發(fā)生器。2、 掌握FPGA對(duì)D/A的接口和控制技術(shù)，學(xué)會(huì)LPM_ROM在波形發(fā)生器設(shè)計(jì)中的實(shí)用方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器PC機(jī) 、 EDA實(shí)驗(yàn)箱 一臺(tái) Quartus II 6.0軟件 三、實(shí)驗(yàn)原理如實(shí)驗(yàn)圖所示，完整的波形發(fā)生器由4部分組成： FPGA中的波形發(fā)生器控制電路，它通過(guò)外來(lái)控制信號(hào)和高速時(shí)鐘信號(hào)，向波形數(shù)據(jù)ROM發(fā)出地址信號(hào)，輸出波形的頻率由發(fā)出的地址信號(hào)的速度決定；當(dāng)以固定頻率掃描輸出地址時(shí)，模擬輸出波形是固定頻率，而當(dāng)以周期性時(shí)變方式掃描輸出地址時(shí)，則模擬輸出波形為掃頻信號(hào)。 波形數(shù)據(jù)ROM中存有發(fā)生器的波形數(shù)據(jù)，如正弦波或三角波數(shù)據(jù)。當(dāng)接受來(lái)自FPGA的地址信號(hào)后，將從數(shù)據(jù)線輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，地址變化得越快，則輸出數(shù)據(jù)的速度越快，從而使D/A輸出的模擬信號(hào)的變化速度越快。波形數(shù)據(jù)ROM可以由多種方式實(shí)現(xiàn)，如在FPGA外面外接普通ROM；由邏輯方式在FPGA中實(shí)現(xiàn)（如例6）；或由FPGA中的EAB模塊擔(dān)當(dāng)，如利用LPM_ROM實(shí)現(xiàn)。相比之下，第1種方式的容量最大，但速度最慢；，第2種方式容量最小，但速度最最快；第3種方式則兼顧了兩方面的因素； D/A轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將ROM輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)濾波電路后輸出。輸出波形的頻率上限與D/A器件的轉(zhuǎn)換速度有重要關(guān)系，本例采用DAC0832器件。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換周期為1s，其引腳信號(hào)以及與FPGA目標(biāo)器件典型的接口方式如附圖2-7所示。其參考電壓與5V工作電壓相接（實(shí)用電路應(yīng)接精密基準(zhǔn)電壓）。DAC0832的引腳功能簡(jiǎn)述如下： ILE（PIN 19）：數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)，高電平有效，系統(tǒng)板上已直接連在5V上。 WR1、WR2（PIN 2、18）：寫(xiě)信號(hào)1、2，低電平有效。 XFER(PIN 17)：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)，低電平有效。 VREF（PIN 8）：基準(zhǔn)電壓，可正可負(fù)，10V10V。 RFB（PIN 9）：反饋電阻端。 IOUT1/ IOUT2（PIN 11、12）：電流輸出1和2 。D/A轉(zhuǎn)換量是以電流形式輸出的，所以必須如實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖NO.5所示的連接方式將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。 AGND/DGND（PIN 3、10）：模擬地與數(shù)字地。在高速情況下，此二地的連接線必須盡可能短，且系統(tǒng)的單點(diǎn)接地點(diǎn)須接在此連線的某一點(diǎn)上。本次實(shí)驗(yàn)中的正弦波波型數(shù)據(jù)由64個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，此數(shù)據(jù)經(jīng)DAC0832，并經(jīng)濾波器后，可在示波器上觀察到光滑的正弦波(若接精密基準(zhǔn)電壓，可得到更為清晰的正弦波形)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1：根據(jù)例6-9，6-5及以上的設(shè)計(jì)原理，完成正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，仿真測(cè)試及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的硬件測(cè)試。硬件實(shí)驗(yàn)中注意DAC0832及濾波電路須接+/-12V 電壓。然后將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)左下角選擇插針處用短路帽短路“D/A直通”，而“濾波1”，“濾波0”處通過(guò)短路或不接短路帽達(dá)到不同的濾波方式。將示波器的地與EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的地相接，信號(hào)端與“AOUT” 信號(hào)輸出端相接；建議CLK接clock0，由此接“1024Hz”，選電路模式5；如果目標(biāo)器件是EPIK30TC144，則對(duì)應(yīng)的引腳是72、70、69、68、67、65、42、41。時(shí)鐘clk接系統(tǒng)的clock0,引腳是126腳。實(shí)驗(yàn)圖10 波形發(fā)生器電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、代碼編寫(xiě)，具體參考教材中相關(guān)章節(jié)。 2、波形仿真。綜合編譯成功后，建立波形文件進(jìn)行波形仿真，啟動(dòng)仿真器Simulator，觀察輸出波形的情況，在軟環(huán)境下驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。3、引腳鎖定和程序下載。參選實(shí)驗(yàn)電路模式5和附表一中的 FLEX10K20 EP1K30/50144-PIN TQFP 目標(biāo)芯片，確定輸入引腳并在開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行引腳鎖定操作后重新綜合編譯，成功后進(jìn)行下載操作。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：作出本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的完整電路圖，詳細(xì)說(shuō)明其工作原理，敘述例7-4的工作原理，以及基于LPM_ROM的VHDL電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)內(nèi)容和測(cè)試、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。1、設(shè)計(jì)流程圖。2、VHDL代碼。3、仿真波形圖。4、硬件測(cè)試數(shù)據(jù)表。5、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6、心得體會(huì)。 七、實(shí)驗(yàn)思考題：如果CLK的輸入頻率是50MHz，ROM中一個(gè)周期的正弦波數(shù)據(jù)是128個(gè)，要求輸出的正弦波頻率不低于150KHz，DAC0832是否能適應(yīng)此項(xiàng)工作？為什么？ 附表一 是GW48CK/GK/PK系統(tǒng)（萬(wàn)能接插口與結(jié)構(gòu)圖信號(hào)/與芯片引腳對(duì)照表） 結(jié)構(gòu)圖上的信號(hào)名 XCS30 144-PIN TQFP XC95108 XC9572 -PLCC84EP1K100 EPF10K30E/50E 208-PIN P/RQFP FLEX10K20 EP1K30/50144-PIN TQFPispLSI 3256/A -PQFP160引腳號(hào)引腳名稱引腳號(hào)引腳名稱引腳號(hào)引腳名稱引腳號(hào)引腳名稱引腳號(hào)引腳名稱PIO0138I/O01I/O07I/OPIN_8PIO 02PIO 0PIO1139PIO 12PIO 18PIO PIN_9PIO 13PIO 1PIO2140PIO 23PIO 29PIO PIN_10PIO 24PIO 2PIO3141PIO 34PIO 311PIO PIN_12PIO 35PIO 3PIO4142PIO 45PIO 412PIO PIN_13PIO 46PIO 4PIO53PIO 56PIO 513PIO PIN_17PIO 57PIO 5PIO64PIO 67PIO 614PIO PIN_18PIO 68PIO 6PIO75PIO 79PIO 715PIO PIN_19PIO 79PIO 7PIO89PIO 810PIO 817PIO PIN_20PIO 811PIO 8PIO910PIO 911PIO 918PIO PIN_21PIO 913PIO 9PIO1012PIO 1012PIO 1024PIO PIN_22PIO 1014PIO 10PIO1113PIO 1113PIO 1125PIO PIN_23PIO 1115PIO 11PIO1214PIO 1214PIO 1226PIO PIN_26PIO 1216PIO 12PIO1315PIO 1315PIO 1327PIO PIN_27PIO 1317PIO 13PIO1416PIO 1417PIO 1428PIO PIN_28PIO 1425PIO 14PIO1519PIO 1518PIO 1529PIO PIN_29PIO 1526PIO 15PIO1620PIO 1619PIO 1630PIO PIN_30PIO 1628PIO 16PIO1721PIO 1720PIO 1731PIO PIN_31PIO 1729PIO 17PIO1822PIO 1821PIO 1836PIO PIN_32PIO 1830PIO 18PIO1923PIO 1923PIO 1937PIO PIN_33PIO 1932PIO 19PIO2024PIO 2024PIO 2038PIO PIN_36PIO 2033PIO 20PIO2125PIO 2125PIO 2139PIO PIN_37PIO 2134PIO 21PIO2226PIO 2226PIO 2240PIO PIN_38PIO 2235PIO 22PIO2328PIO 2331PIO 2341PIO PIN_39PIO 2336PIO 23PIO2429PIO 2432PIO 2444PIO PIN_41PIO 2437PIO 24PIO2530PIO 2533PIO 2545PIO PIN_42PIO 2538PIO 25PIO2675PIO 2634PIO 26113PIO PIN_65PIO 2682PIO 26PIO2777PIO 2735PIO 27114PIO PIN_67PIO 2783PIO 27PIO2878PIO 2836PIO 28115PIO PIN_68PIO 2884PIO 28PIO2979PIO 2937PIO 29116PIO PIN_69PIO 2985PIO 29PIO3080PIO 3039PIO 30119PIO PIN_70PIO 3086PIO 30PIO3182PIO 3140PIO 31120PIO PIN_72PIO 3187PIO 31PIO3283PIO 3241PIO 32121PIO PIN_73PIO 3288PIO 32PIO3384PIO 3343PIO 33122PIO PIN_78PIO 3389PIO 33 結(jié)構(gòu)圖上的信號(hào)名 XCS30 144-PIN TQFP XC95108 XC9572 -PLCC84EP1K100 EPF10K30E/50E 208-PIN P/RQFP FLEX10K20 EP1K30/50144-PIN TQFPispLSI 3256/A -PQFP160引腳號(hào)引腳名稱引腳號(hào)引腳名稱引腳號(hào)引腳名稱引腳號(hào)引腳名稱引腳號(hào)引腳名稱PIO3485PIO 3444PIO 34125PIO PIN_79PIO 3490PIO 34PIO3586PIO 3545PIO 35126PIO PIN_80PIO 3592PIO 35PIO3687PIO 3646PIO 36127PIO PIN_81PIO 3693PIO 36PIO3788PIO 3747PIO 37128PIO PIN_82PIO 3794PIO 37PIO3889PIO 3848PIO 38131PIO PIN_83PIO 3895PIO 38PIO3992PIO 3950PIO 39132PIO PIN_86PIO 3996PIO 39PIO4093PIO 4051PIO 40133PIO PIN_87PIO 40105PIO 40PIO4194PIO 4152PIO 41134PIO PIN_88PIO 41106PIO 41PIO4295PIO 4253PIO 42135PIO PIN_89PIO 42108PIO 42PIO4396PIO 4354PIO 43136PIO PIN_90PIO 43109PIO 43PIO4497PIO 4455PIO 44139PIO PIN_91PIO 44110PIO 44PIO4598PIO 4556PIO 45140PIO PIN_92PIO 45112PIO 45PIO4699PIO 4657PIO 46141PIO PIN_95PIO 46113PIO 46PIO47101PIO 4758PIO 47142PIO PIN_96PIO 47114PIO 47PIO48102PIO 4861PIO 48143PIO PIN_97PIO 48115PIO 48PIO49103PIO 4962PIO 49144PIO PIN_98PIO 49116PIO 49SPEAKER104PIO 63PIO 50148PIO PIN_99PIO 50117PIO 50CLOCK011165PIO 51182PIO PIN_126INPUT1118PIO CLOCK111366PIO 52183PIO PIN_55GCLOK1119PIO CLOCK211467PIO 53184PIO PIN_54INPUT3120PIO CLOCK310668PIO 54149PIO PIN_100PIO 51121PIO CLOCK411269PIO 55150PIO PIN_101PIO 52103