基于FPGA脉宽调制设计

1、基于fpga脉宽调制设计学院：电子信息工程学院姓名：学号指导老师：1.1选题背景与研究意义1.1.1信号发生器的实现技术信号发生器是电子测试设备中的一种，它用来产生不同类型、不同频率、不 同幅度的电子波形，广泛应用于电子设备的研发、测试和维修。它产生的典型波 形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。传统的信号发生器运用的是模拟技术，它的实现方法是将正弦波与某一电平 作比较，比较器的输出即方波，通过调节待比较的电平即可产生占空比不同的方 波，内对方波做积分和微分便可产生三角波，而鋸齿波的产生基于对电容的充电， 然后通过开关放电实现。模拟信号发生器技术的关键在于正弦波的产生。早期的技术都是基于谐振 法，

2、之后乂出现了基于锁和环技术的信号发生器。随着电子技术的不断发展和直 掇数宁频率合成技术（direct digital synthesizer）的提!li，一种新的信号产生方 法正在被广泛应用，这种方法就是dds技术。信号发生器的数字实现方法有两种，一种是运用专用集成电路（asic）信 号产生芯片，如adi公司的ad9850,另一种是运用可编程逻辑器件（fpga）。1.1.2研究背景及研究意义在现代电子系统中，信号发生器是重要的组成部分之一。在信号传输、通信 电子、电力载波、电子对抗等众多领域被广泛使用。比如，在广播传输系统中， 高频信号需耍作为载波发射，在这里就需要一个能产生高频的信号发生器。

3、在工 、lk、生物医学等领域，如超声诊断、核磁共振等，都需要特定频率、特定功率的 信号发生器。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 verilog hdl语言完成了 dds信号发生器的rtl描述，其次，使用altera公司 出品的quartus ii 11.0进行模块化设计和仿真。quartus ii是altera公司提供的 eda集成开发环境，其人机界面友好，特别适用于fpga初学者。与eda软件 配合的是cyclone ii ep2c5q208c8开发板，体积小巧，功能丰富，非常适合用 于dds的设计。1.2信号发生器功能1.2.1信号发生器的功能作为基本功能，信

4、号发生器要具有产生正弦波、方波、三角波和锯齿波的能 力；设计说明书如下： 通过拨码开关实现输出spwm。 当拨码开关同吋为“0”吋，输出spwm。 当拨码开关分别为“0” “丨”时，输出正弦波和锯齿比较后波形。 当拨码开关分别为“1” “0”吋，输出频率改变的方波。 当拨码开关同时为“1”时，通过某一按键开关切换输出波形的类型，类 型在正弦波、三角波和锯齿波之间切换。1.3信号发生器数字部分的设计1.3.1波形rom设计作为一款dds信号发生器，rom的设计很重要。木文的rom模块调用了 quartus q带的ip核r0m4-p0rt,在调用之前，需先准备好rom的初始化文 件，altera

5、的 fpga 的 rom 初始化文件的后缀名力.mif(memory initialized file), 格式如下：depth =128;width =8;address一radix = dec;data_radix = dec;contentbegin数据end;生成rom模块的过程如下：打开“megawizard plug-in manager”，6:击“create a new custom megafunction variation”，在狎出的对话框屮展开“memory compiler”歹!j表，在展开的列表屮选 择“rom:1-port”，点击“卜一步”，在“how wide

6、should the q output bus be ?”右 侧选择8位，在“how many 10-bit words of memory ?”右侧选择数据容量力128 个。点击两次“下一步”，选择生成的mif文件，再点击两次“下一步”，在对话框屮把“生成bsf文件”勾上。最厄点击“结束”，便完成了 rom的调用。生成的symbol如图所示。r0m4paddress6.0i=d-i §ssooxq7.oclock如7 block type: m9krom 的 symbol止弦rom模块的仿真波形如图所示。clockssedrc;1x2x3x4x5x6xtx8x9x10xhx12；0

7、irom模块仿真波形正弦rom模块例化代码如下：module z'neng (i inputelk,inputrst_nfinputenroutput 7:0 ql , output 7:0 sinewire 6:0 addr;日rom1promlp_inst (i.address ( addr ),.clock ( elk),q ( ql)；reg 6:0 ent;always© (pcsedge elk or r.egedge rst_n) 日beginif(!rst_n)enz <= 71do; else if(en)ent <= cnt+7'dl;

8、elsecnt<=cnt;-ndassign addr = ent; assign sine=ql;lendir.odule止弦波的symbol如图所zhengelkq17.o礬rst_nsine7.o«eninstr.正弦波，方波，鋸齿波，三角波生成模块的signaltap抓取波形如图所示。1.3.2分频模块设计晶振的输出频率为50 mhz,为敁示spwm波形，这时就有必要对输入时钟 进行分频了。分频模块的关键代码如卜、module div (elk f out ); input elk; output out; reg out; xeg 5:0】q;always ( pos

9、edge elk ) if( q != 1) q <= q + 1； else q <= 0;always ( posedge elk )if ( q = 1)out<= -out;lendir.odule正弦波的symbol如图所不*。div elkoutwr春vw，instl 止弦波的symbol1.3.3比较器和按键控制设计经过上述设计，现在模块具有四个rom,每个rom分别保存着正弦波、 方波、三角波和鋸齿波，模诀具有四个da输;li,这就需要有一个模块来实现对 四个数据的选择，选出一路波形数据给da要产生占空比可调的方波，可以将某一电平与止弦波比较，比较器的输出即

10、占空比可调的方波，其屮，控制被比较的电平的大小即可控制方波的占空比。比较器及按键的关键代码如下：input sell;input sel2;input klz k2 z k3;output 7:0 out;reg 7:0 out; always (posedge elk)刍begin| if ( (sell=0) “ (sel2=0)3 beginif (ql > q2) out <= 255; else out <= 0;一 endelse if ( (sell=0) && (sel2=l)3 beginif (ql > q4) out <= 2

11、55; else out <= 0;- endelse if ( (sell=l) && (sel2=0)3 beginout <= q3;- endelse if ( (sell=l) && (sel2=l)3 beginif (kl0)out<=q2 ; else if (k2=0) out<=q4; else if (k3=0) out<=q5;- end else ;比较器及按键的symbol如图所示bijiaoelkout7"0j1q57.0jqip.ojq27.oq37.0jq47.osell&et2k

12、1k2k3instzupjtoutp比较器及按键的symbol1.3.4 spwm波生成设计spwm波生成运用了正弦波和等腰三角波电平相比较的原理，只需调用一 个三角波生成模块，将三角波的电平与正弦波相比较即可，比较的输出接数裾选 择器，就可输出spwm波了。spwm波生成模块的signaltap抓取波形如图所示。spwm波生成模块的signaltap抓取波形1.3.5顶层设计整个数字系统的顶层设计是按照图进行的，其quartus原理图如图所示ck -* 扇a>«1.< 參嚳曇攀攀參參參參鲁暴參豢*鬱攀:uw:;| w':：:： ：:：!： :：:.u-a >

13、;ti，參«<r a n。 r a-r «<a. >an q mu* a/« :丄%*<»or-« i 数字部分顶展图rtl图如卜所示§ rr viewer - cusers./wministratoo'desbop/ceshi/ceshi - ceskffc edt sew took mndo hdp ;tde: -c: e 3 s 龟珍固ib em aomfnlockr: iceih (77 optwi.tj mode suber, toesfhjrcjut2015/1/102.1总结通过此次设计，

14、让我深深的感觉到自匕所学知识真是非常的浅薄。血对电子 技术日新月异的发展，利用eda手段进行设计已成为不可阻挡的趋势。相对于传 统至底向上的设计方式，自上而下的设计具有苏显著的优越性。利用eda设计软 件辅助设计，方便快捷，减少了错误率的产生，缩短了产品的设计及上市周期， 既减轻了设计工作量又满足了商业利益的需求。该系统以cyclon器件为核心 部件，可利用软件编程实现了对d/a转换信号的处理。努力做到了线路简单、高 性价比的特点，充分利用了软件编程，弥补了硬件元器件的不足。在设计过程 当屮，遇到了软件操作不熟练，程序编写不规范等诸多问题，通过对问题的总结 分析得出，应用软件的主要功能必须熟练操作，才能提高工作效率，需要规范操 作的地方必须严格按照使用说明操作，避免巾于软件使用不当造成的错误产生。 程序的编写格式必须规范，模块、端门以及信号变量的命名应当反映实际意义， 缩进格式工整明了，方便阅读理解，这样有利于程序的编写，有利于分