基于FPGA的波形发生器的设计

1、基于的脉宽调制的设计u指导老师：苏林指导老师：苏林u答答 辩辩 人：高华昆人：高华昆论文框架论文框架u1u2u3信号发生器的设计过程信号发生器的设计过程波形仿真波形仿真课题背景课题背景课题背景课题背景v现场可编程门阵列现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays(Field Programmable Gate Arrays，FPGA)FPGA)是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信息对其功能进行定义，以满足设计需求，与传统数字电路系息对其功能进行定义，以满足设计需求，与传统数字电路系统相比，统相

2、比，FPGA FPGA 具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点，通过配置器件内部的逻辑功能和输入点，通过配置器件内部的逻辑功能和输入/ /输出端口，将原来输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片中进行，提高了电路性能，降低了电路板级的设计放在芯片中进行，提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的灵活性印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的灵活性和效率。和效率。v本设计是直接数字频率合成技术与可编程逻辑器件的结合，本设计是直接数字频率合成技术与可编程逻辑器件的结合，首先，利用首先，利用Verilog HDLVerilog

3、 HDL语言完成了语言完成了DDSDDS信号发生器的信号发生器的RTLRTL描述，描述，其次，使用其次，使用AlteraAltera公司出品的公司出品的Quartus II 9.0Quartus II 9.0进行模块化设进行模块化设计和仿真。计和仿真。u PWM的全称是的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如电动车电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式。电机调速就是使用这种方式。u 所

4、谓所谓SPWM，就是在，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子就是一个例子。三相。三相SPWM是使用是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。频器领域被广泛的采用。信号发生器的设计过程信号发生器的设计过程u设计规划设计规划 根据设计思路，信号发生器的结构框图如图

5、根据设计思路，信号发生器的结构框图如图3-13-1所示。它由信号产生，所示。它由信号产生，信号控制，信号控制，D/AD/A转换三部分组成。转换三部分组成。 信号产生信号产生信号控制信号控制D/AD/A转转时钟信号时钟信号选择信号选择信号输输出出u信号产生模块信号产生模块产生所需要的各种信号，这些信号的产生可以有多种方式，如用计数器产生所需要的各种信号，这些信号的产生可以有多种方式，如用计数器直接产生输出，或者产生寄存器的地址，再存储器中存放信号输出直接产生输出，或者产生寄存器的地址，再存储器中存放信号输出的数据。的数据。 信号发生器的控制模块可以用数据选择器实现，用信号发生器的控制模块可以用数

6、据选择器实现，用2 2选选4 4数据选择器实现信数据选择器实现信号的选择。号的选择。u 信号控制模块信号控制模块uSignalTapSignalTap抓取波形抓取波形最后通过最后通过SignalTapSignalTap对波形进行抓取，仿真出各种波形类型。对波形进行抓取，仿真出各种波形类型。 用用verilog语言依次设计出语言依次设计出u锯齿波模块锯齿波模块u三角波模块三角波模块u正弦波模块正弦波模块u方波模块方波模块u控制模块控制模块波形波形verilog代码代码umodule ju(u input clk, /*clock input*/ u input rst_n, /*async re

7、set ,active low*/u input en, u output 7:0 q4 /*data output from ROM*/u);u/*ROM instance*/uwire 6:0 addr;uROM4P ROM4P_inst (u .address ( addr ),u .clock ( clk),u .q ( q4)u );u/*address generate*/ureg 6:0 cnt;ualways(posedge clk or negedge rst_n)ubeginu if(!rst_n)u cnt = 7d0;u else if(en)u cnt = cnt+7

8、d1;u elseu cnt=cnt;u uenduassign addr = cnt;uendmodule仿真波形图仿真波形图u 锯齿波仿真图锯齿波仿真图u 仿真结果分析仿真结果分析在这个仿真图中，可以看到当在这个仿真图中，可以看到当enen为高电平的时候，出现一个为高电平的时候，出现一个clkclk时钟脉冲时钟脉冲的上升沿开始计数，当增到的上升沿开始计数，当增到255255时等下一个脉冲来时将又跳回时等下一个脉冲来时将又跳回0 0，然后，然后每来一个脉冲就加一次，直到加到每来一个脉冲就加一次，直到加到255255，依次重复，如图所示，波形将，依次重复，如图所示，波形将会以递增锯齿波的规律变

9、化会以递增锯齿波的规律变化。u三角波模块仿真图三角波模块仿真图u仿真结果分析仿真结果分析在这个仿真图中，可以看到当在这个仿真图中，可以看到当enen为高电平的时候，出现一个为高电平的时候，出现一个clkclk时钟时钟脉冲的上升沿开始计数，从脉冲的上升沿开始计数，从0 0增到增到1 1，然后每来一个脉冲就增一次，然后每来一个脉冲就增一次，直到增到直到增到255255，等下一个脉冲到临时将有从，等下一个脉冲到临时将有从255255减到减到251251，然后每，然后每来一个脉冲就减一次，直到减到来一个脉冲就减一次，直到减到0 0，依次重复，如图所示，波形，依次重复，如图所示，波形将出现三角波的规律变

10、化。将出现三角波的规律变化。u正弦波波仿真图正弦波波仿真图u 仿真结果分析仿真结果分析在这个仿真图中，可以看到当在这个仿真图中，可以看到当enen为高电平的时候，出现一个为高电平的时候，出现一个clkclk时时钟脉冲的上升沿开始计数，图中的数据将根据列表中所查到的钟脉冲的上升沿开始计数，图中的数据将根据列表中所查到的数据按照一定的规律显示。如图所示，波形将出现正弦波的规数据按照一定的规律显示。如图所示，波形将出现正弦波的规律变化。律变化。u方波仿真图方波仿真图u仿真结果分析仿真结果分析在这个仿真波形图中，可以看到当在这个仿真波形图中，可以看到当enen为高电平的时候，出现一个为高电平的时候，出

11、现一个clkclk时钟时钟脉冲的上升沿计数，从脉冲的上升沿计数，从0 0跳到跳到255255，等下一个脉冲来临时有从，等下一个脉冲来临时有从255255跳到跳到0 0，依次重复，如图所示，波形将以方波的规律变化。依次重复，如图所示，波形将以方波的规律变化。u总原理图仿真图总原理图仿真图一一选择锯齿波的波形仿真图选择锯齿波的波形仿真图 二二选择三角波的波形仿真图选择三角波的波形仿真图三三正弦波的波形仿真图正弦波的波形仿真图 四四SPWMSPWM波形仿真图波形仿真图 数据选择与比较器代码数据选择与比较器代码一一选择递增锯齿波的波形仿真图选择递增锯齿波的波形仿真图 u仿真结果分析仿真结果分析在这个仿

12、真波形图中，可以看出当在这个仿真波形图中，可以看出当K2K2为为0 0，K1K1、K3K3、SEL1 SEL2SEL1 SEL2均为均为1 1时，选择递增锯齿波。则输出锯齿时，选择递增锯齿波。则输出锯齿波的规律变化波的规律变化。SignalTapSignalTap抓取锯齿波形抓取锯齿波形 三、选择三角波的波形仿真图三、选择三角波的波形仿真图u仿真结果分析仿真结果分析在这个仿真波形图中，可以看出当在这个仿真波形图中，可以看出当K1为为0，K2、K3均为均为1,sel1 sel21,sel1 sel2均为均为1 1时，选择三角波。则输出呈三角波的规时，选择三角波。则输出呈三角波的规律变化律变化 SignalTapSignalTap抓取三角波形抓取三角波形四、正弦波的波形仿真图四、正弦波的波形仿真图u仿真结果分析仿真结果分析在这个仿真波形图中，可以看出当在这个仿真波形图中，可以看出当K2为为00，K1、K3、sel1 、sel2均为均为11时，选择正弦波。则输出呈正弦波的规律变化。时，选择正弦波。则输出呈正弦波的规律变化。Signa