基于FPGA的方波信号发生器分析.docVIP

EDA课程设计实验报告 基于FPGA的方波信号发生器 设计内容： 基于FPGA的方波信号发生器 代课老师： 学 号： 姓 名： 专 业： 电子与通信工程 摘要：本设计是采用了EDA技术设计的方波信号发生器。实现是基于FPGA语言描述正弦波基波和多次谐波叠加模块，然后在QuartusⅡ软件上实现波形的编译，仿真和下载到Cyclone芯片上。整个系统由正弦波产生模块、数码管显示模块、波形频率控制和波形幅度控制四个部分组成。最后经过QuartusⅡ软件仿真，证明此次设计可以通过多次谐波叠加形成方波，并通过频率控制和幅度控制改变方波波形。 关键字：VHDL；QuartusⅡ；Cyclone；函数信号发生器 1、Quartus II软件简介 1.1 Quartus II软件介绍 Quartus II 是Alera公司推出的一款功能强大，兼容性最好的EDA工具软件。该软件界面友好、使用便捷、功能强大，是一个完全集成化的可编程逻辑设计环境，具有开放性、与结构无关、多平台完全集成化丰富的设计库、模块化工具、支持多种硬件描述语言及有多种高级编程语言接口等特点。 Quartus II是Altera公司推出的CPLD/FPGA开发工具，Quartus II提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括：可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；芯片平面布局连线编辑；功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；定时/时序分析与关键路径延时分析；可使用SignalTap II逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析；支持软件源文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件；使用组合编译方式可一次完成整体设计流程；自动定位编译错误；高效的期间编程与验证工具；可读入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文件；能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。 1.2 Quartus II软件设计流程 打开Quartus II软件。 选择路径。注意：工作目录名不能有中文。 添加设计文件。 选择FPGA器件。Family选择Cyclone，240，8。 建立原理图或用VHDL语言描述设计电路。 对原理图或用VHDL语言进行编译，无误后进行添加信号。 对上述电路进行仿真。 进行管脚分配。 全局编译,采用JTAG或者AS模式进行下载测试. 2、系统设计方案 采用现场可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)设计DDS电路比专用DDS芯片更具灵活性。因为只要通过改变FPGA内部波形存储器中的波形数据，就可以实现任意波形输出，这使得用FPGA来实现DDS具有相当大的灵活性。相比之下，FPGA所能实现的功能完全取决于设计需求，可以简单也可以复杂，另外，FPGA芯片还支持在系统升级，虽然在精度和速度上略有不足，但是基本上能满足绝大数系统的要求，并且，将DDS设计嵌入到FPGA内部所构成的系统中，其系统成本并不会增加多少，而专用DDS芯片的价格一般也比FPGA高。因此，采用FPGA来设计DDS系统具有较高的性价比。 本设计利用正弦波的基波和多次谐波合成方波，通过相关按键来调节方波的频率相位和幅度，并在数码管上显示出来。 图1 2.1方波分解为多次正弦波之和的原理 代表周期性方波信号的函数满足狄利克雷条件，即方波可以表示为多次正弦波之和。如图2所示方波信号，其周期为2且正半周期负半周期是形状全同的矩形，在区间（0，2）内可用函数表示为： 若将展开为三角傅里叶级数，即将分解为多次正弦波之和，则有式（13）、式（14）可知，在区间（0，2）内，如图1 所示的周期为2的方波信号的， ，的值分别为： = = = 图2 则在区间（0，2）内可表示为： 即周期为2s的方波信号中含有大量的正弦波，其频率分别为1/2，3/2，5/2，7/2···其中频率为1/2的正弦波称为基波，其他频率的正弦波称为谐波。即一周期性方波，可表示为基波与无穷多谐波之和。 实用中进行信号分析时，不可能取无穷多次谐波之和，而只能用有限项来近似表示。这样就无法避免有一误差，如果将基波加到次