電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-基于FPGA的三相正弦波發(fā)生器

短學(xué)期課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)名稱(chēng):電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：基于FPGA的三相正弦波發(fā)生器院（系）：信息學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系年級(jí)：2014級(jí)指導(dǎo)教師：西南交通大學(xué)2016年7月PAGEPAGE19目錄一、緒論 41.1設(shè)計(jì)目的 41.2設(shè)計(jì)要求 4二、方案設(shè)計(jì) 42.1概論設(shè)計(jì) 42.2各子系統(tǒng)模塊 52.3使用器件說(shuō)明 5三、詳細(xì)設(shè)計(jì) 63.1設(shè)計(jì)原理 63.2正弦波設(shè)計(jì) 63.3三相波疊加 73.4分頻設(shè)計(jì) 83.5引腳鎖定 …………………9四、測(cè)試及使用說(shuō)明 104.1測(cè)試步驟 104.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果 11五、結(jié)論 13六、實(shí)習(xí)總結(jié) 13附件： 16電路原理圖…………………16PCB版圖………………………16Verilog代碼…………………17一、緒論1.1設(shè)計(jì)目的三相交流電是三個(gè)頻率相同的交流電的組合，相位彼此相差120度，主要應(yīng)用于需要大電力的場(chǎng)合并且三相交流電的頻率可調(diào)。在此基礎(chǔ)上研究關(guān)于三相正弦波的研究?；贔PGA的三相正弦波發(fā)生器，在CycloneⅡ系列EP2C8T144C8上實(shí)現(xiàn)正弦波信號(hào)的產(chǎn)生，利用單片機(jī)PICl8F4550控制波形的頻率及相位差。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)DAC0832控制波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DAC參考電壓實(shí)現(xiàn)在波形幅度的控制，D／A輸出的波形經(jīng)過(guò)放大后輸出。輸出的三相正弦波有利于觀察。1.2設(shè)計(jì)要求關(guān)于此次三相正弦波的設(shè)計(jì)有兩種任務(wù)要求，基本要求為輸出的電壓在0-5V之間可調(diào)。輸出的信號(hào)頻率為50Hz。正弦失真度在+/-5%之間。而提高要求為輸出三相方波，并且三相波要可調(diào)頻可調(diào)相。本組要完成的任務(wù)是簡(jiǎn)化版，故任務(wù)要求是輸出頻率為50Hz的三相正弦波即可。二、方案設(shè)計(jì)2.1概論設(shè)計(jì)首先先完成單相正弦波的代碼，實(shí)現(xiàn)單相正弦波波形的輸出，然后繪制電路圖，此時(shí)的電路圖是不能調(diào)頻調(diào)相的。然后進(jìn)行分頻操作，將兩個(gè)add1地址疊加，然后輸出的三個(gè)ROM里讀出數(shù)據(jù)即為存入的正弦波序列。2.2各子系統(tǒng)模塊此次的三相波設(shè)計(jì)共涉及到四個(gè)子系統(tǒng)模塊，分別是單相波的設(shè)計(jì)、正弦波形的設(shè)計(jì)、三相波的疊加、分頻設(shè)計(jì)、引腳標(biāo)注等。2.3使用器件說(shuō)明三相正弦波發(fā)生器元器件清單序號(hào)元器件名稱(chēng)及型號(hào)備注1DAC0832需要3個(gè)2運(yùn)放OP07lm324也可以，需要3個(gè)3LMC7660產(chǎn)生負(fù)電源4空心電源插座（5mm直徑）作品電源接口5有源晶振（6MHz）可以直接使用FPGA自帶6相關(guān)元器件芯片插座安插相關(guān)芯片7印制板、烙鐵、導(dǎo)線、焊錫等電子工藝實(shí)習(xí)應(yīng)用8EP2C8T144C8開(kāi)發(fā)板下載應(yīng)用9多路直流穩(wěn)壓電源正負(fù)開(kāi)關(guān)線性可調(diào)穩(wěn)壓模塊正負(fù)+-12V5V3.3V采用多路輸出的電源開(kāi)關(guān)表2.1三、詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、FPGA波形產(chǎn)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、濾波輸出模塊、觸摸屏輸入和液晶顯示模塊組成，單片機(jī)控制FPGA產(chǎn)生輸入頻率和相位差的三相正弦波，經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后濾波輸出，三相波形的幅度也由單片機(jī)通過(guò)改變D／A的參考電壓控制基于FPGA的三相正弦波發(fā)生器，是由地址發(fā)生器完成信號(hào)的輸入，存入ROM中，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化軟件即可得到合適的模型曲線?？傮w框圖：圖3.13.2正弦波設(shè)計(jì)正弦波的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為*．mif文件后存放到ROM中，mif文件有固定格式規(guī)定了每個(gè)字的位寬WIDTH、總字?jǐn)?shù)DEPTH、地址進(jìn)制基數(shù)ADDR-ESS_RADIX和數(shù)據(jù)進(jìn)制基數(shù)DATA_RADIX。在Matlab環(huán)境中編程計(jì)算出正弦波數(shù)據(jù)，然后生成mif文件。EP2C8T144C8擁有較充裕的存儲(chǔ)空間。因此，設(shè)計(jì)中為了提高精度在ROM中存放256個(gè)正弦數(shù)據(jù)，頻率控制字、相位控制字由單片機(jī)控制產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)相位累加器組成地址發(fā)生器，產(chǎn)生的地址連到ROM的地址線上進(jìn)行查表得到波形數(shù)據(jù)。詳見(jiàn)附錄代碼-Verilog-S401和S402.單項(xiàng)正弦波的實(shí)現(xiàn)圖3.23.3三相波疊加為實(shí)現(xiàn)上述要求的三相正弦波，可采用問(wèn)題分解的方法、逐個(gè)分析問(wèn)題。三相波的疊加圖3.3對(duì)于圖中的ROM可以利用Quartus2的LPM功能，定制一個(gè)8bit數(shù)據(jù)寬度，128字節(jié)深度的ROM：先完成單相正弦波的代碼，實(shí)現(xiàn)單相正弦波波形的輸出，然后繪制電路圖，此時(shí)的電路圖是不能調(diào)頻調(diào)相的。然后進(jìn)行分頻操作，將兩個(gè)add1地址疊加，然后輸出的三個(gè)ROM里讀出數(shù)據(jù)即為存入的正弦波序列。3.4分頻設(shè)計(jì)為了對(duì)波形頻率精確控制，不同頻率段需要不同的輸入頻率。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用選擇的引腳為P17口為50MHz外部有源晶振。根據(jù)題目的要求，輸出的三相正弦波要求為50Hz，因此要在輸入端與正弦波發(fā)生器之間添加一個(gè)分頻器，使得其頻率降低。其分頻代碼見(jiàn)附錄-Verilog-S404.3.5引腳鎖定1、輸入引腳圖3.4P17口主板器件名為50MHz2、三相波的輸出圖3.5圖3.6圖3.7四、測(cè)試及使用說(shuō)明4.1測(cè)試步驟本次電子設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)正弦波發(fā)生器，即可輸出三相波即可。由于在課程設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定其輸出的頻率50Hz（輸入口cp為50MHz的P17口，且設(shè)置一個(gè)分頻器使其輸出為50Hz），而且三項(xiàng)正弦波已設(shè)置完全，故本題不需進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。主要測(cè)試步驟：1、電源部分進(jìn)行連線2、插入電源，通電3、輸出端連線到示波器上4、將文件下載到電路板上5、運(yùn)行，觀察示波器4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果本題的目的是實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)正弦波的輸出，故分步進(jìn)行先完成單相波，接著是雙相波，最后為三相波。1.仿真波形：圖4.12.兩相正弦波圖4.23.三項(xiàng)正弦波圖4.3五、結(jié)論本項(xiàng)目以低功耗、操作方便、結(jié)構(gòu)合理、易于調(diào)試為主要設(shè)計(jì)原則，以求解出三相正弦波發(fā)生器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求硬件線路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，并最大限度挖掘FPGA片內(nèi)資源，來(lái)滿足系統(tǒng)要求。利用硬件描述語(yǔ)言VHDL編程QuartusII軟件環(huán)境下進(jìn)行了編譯及仿真測(cè)試，在FPGA芯片上設(shè)計(jì)了函數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波，系統(tǒng)的頻率分辨率高，頻率切換速度比較快，設(shè)計(jì)縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，提高了設(shè)計(jì)效率，而且使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于實(shí)物圖的設(shè)計(jì)與制作，更深層次的則在于早期PCB版的設(shè)計(jì)，以及后期的鉆孔、連線、焊接等。這些操作影響到最終的成果展示。我們小組也在最終的PCB版的制作上出現(xiàn)了麻煩。六、實(shí)習(xí)總結(jié)總之，這次實(shí)習(xí)，我受益匪淺。2、附件電路原理圖附圖1附圖2PCB版圖附圖3Verilog代碼1、modules401(cp,q);inputcp;output[7:0]q;reg[7:0]q=0;always@(posedgecp)beginif(q>=8'd255)q=8'b0000_0000;elseq=q+1;endendmodule2、modules402(q,add);input[7:0]q;outputreg[7:0]add;always@(q)beginadd=q+8'b0101_0101;endendmodule3、modules404(clk,cp);inputclk;outputregcp;reg[11:0]q=0;always@(posedgeclk)beginq=q+1;if(q<=2000)cp=1;elseif(q<=4000)begincp=0;if(q==4000)q=0;endendendmodule基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專(zhuān)用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門(mén)機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動(dòng)換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機(jī)的流量控制器的開(kāi)發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能的嵌入式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的氨分解率檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)鍋爐的單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的電磁振動(dòng)式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)的WDR-01型聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的研制一種RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)HY