1、实用数字电子技术基础实验设计论文（2012 级）题 目 正弦信号发生器设计学 院 电子信息学院专 业 集成电路设计与集成系统班 级 12042211学 号 12042110、12042139学生姓名 樊永刚、张呈明指导教师 陈龙完成日期 2013 年 6 月摘要本实验运用 EDA 技术，采用 FPGA 为核心器件，对逻辑器件进行编程，QUARTUS II 及实验开发系统为设计工具，对产品进行设计然后下载到 FPGA 上验证实现功能。此设计涉及 ROM 和 DAC 的应用，这里主要使用 DAC0832 来完成实验。系统功能：整个系统理论上可以输出任意频率的正弦波形。考虑到DAC0832 的数据建
2、立速度是 1s ，所以 CLK 的频率不宜过高。通过示波器可以观测到DAC0832 的输出波形。关键词：FPGA、EDA 、ROM、DAC 、正弦信号发生器。第 0 页1 引言1.1 本课题的研究背景PLD（可编程逻辑器件）是数字集成系统逻辑器件，一种数字集成电路的半成品，在其芯片上按一定排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，使用者可利用某种开发工具对其进行加工，即按设计要求将这些片内的元件连接起来，使之完成某个逻辑电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的专用集成电路。PLD 的出现使数字系统的设计方法发生了崭新的变化。传统的系统设计方法采用 SSI 和 MSI 标准通用器件
3、以对电子电路进行设计，由于器件的种类、数量多且连接复杂，因而造成系统体积大、可靠性差。采用PLD 设计系统后，可利用 EDA 工具来完成,极大地提高了设计效率和设计灵活性。近年来，PLD 和 EDA 技术相互促进，使得 PLD 已在计算机硬件、工业控制、智能仪器、家用电器等领域得到广泛应用，成为电子产品设计变革的主流器件。目前具有竞争力的电子产品，多数都采用了 PLD，而 PLD 的设计与改进必须借助 EDA 工具，因此掌握 PLD 和 EDA 技术已成为当今硬件系统设计者的重要任务。当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、
4、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路（VLSCI ，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望 ASIC 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 ASCI 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD） ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD ） 。大规模可编程逻辑器件 CPDL 和 FGPA 是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路，电子设计工程师
5、利用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短产品的上市时间，降低了开发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改，这样就极大的提第 1 页高了电子系统设计的灵活性和通用性。由于具备上述两方面的特点，CPLD 和FPAG 受到了世界范围内广大电子设计工程师们的普遍欢迎，应用日益广泛。目前已有单片可用门数超过数百万门、工作频率可达 500MHZ 以上的可编程ASCI 芯片问世，由于工艺和结构的不断改进，可编程 ASCI 芯片上包含的资源越来越丰富，可实现的功能越来越强，他们已成为当今实现电子系统集成化的重要
6、手段。当前 PLD 主要向两个方向发展：CPLD 和 FPGA。而随着近年来半导体技术的飞速发展,现代高密度现场可编程逻辑器件 FPGA，其设计性能及性价比已能够与掩膜 ASIC 抗衡，这极大地提高了 FPGA 在此领域的竞争力。可编程器件制造厂家可按照一定的规格以通用器件大量生产，用户可按通用器件从市场上选购，然后按自己的要求通过编程实现专用集成电路的功能。因此，对于集成电路制造技术与世界先进的集成电路制造技术尚有一定差距的我国，开发具有自主知识产权的专用集成电路，已成为相关专业人员的重要任务。按用户需要，面向特定用途而专门设计制作的集成电路。大量生产并标准化的通用集成电路一般不能满足全部用
7、户的需要，研制新的电子系统常需各种具有特殊功能或特殊技术指标的集成电路。定制集成电路是解决这个问题的重要途径之一，是集成电路发展的一个重要方面。FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC ）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。1. 本课题的主要研究内容及意义函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间
8、函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频） 、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。第 2 页除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。本文利用 EDA 技术，即以大规模可编程逻辑器件 FPGA 为设计载体，以计算机，FPGA 的开发软件 QUARTUS II 及实验开发系统为设计工具，实现相应的部分功能，从而自动完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，
9、逻辑仿真，直至完成对目标芯片 FPGA 适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终实现对正弦信号发生器的设计。本设计所做的工作主要有以下几个方面：（1）根据实验的功能要求，设计正弦信号发生器的模型，画出系统框架图。要明确系统的任务。将系统划分成规模大小合适多个子系统，便于电路级的设计。（2）掌握 QUARTUS II 软件的学习和使用。（3）用基于 LPM 宏模块的自动化设计对系统中的各个子系统或者模块进行逻辑描述。（4）利用 EDA 提供的设计平台，完成用软件的方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑仿真。（5）在 FPGA 实验箱上下载验证所设计的正弦信号发生器的功能，进行相应的测试和查
10、错，直至完成对目标芯片 FPGA 适配编译、逻辑映射、编程下载等工作。通过以上步骤，就可以设计出实验所要求的信号发生器。第 3 页2 总体设计2.1 功能要求通过数字方式产生模拟信号的方法设计一个简易正弦信号发生器。2.2 系统设计框图图 2.2-12.3 基本设计步骤（1）定制初始化波形数据文件（2）定制 LPM ROM 元件（3）简易正弦信号发生器的顶层电路设计（4）软件编译仿真（5）硬件下载调试6 位计数器（地址发生器）64 字正弦波数据存储器（LPM_ROM）DAC0832示波器（正弦波输出）第 4 页3 各模块设计3.1 定制初始化波形数据文件在设计之前必须首先确定图 2.1-1 中
11、内的波形数据文件。这里的正弦波数据是点的。通过以下设计来产生文件。图 选择文件图 完成正弦波新号数据输入 第 5 页3.2 定制 元件存放波形数据的设计。图六位计数器的设计图 生成六位计数器元件的设计第 6 页图 选择使用模块图 为选择初始化配置文件图 生成元件第 7 页3.3 简易正弦信号发生器的顶层电路设计原理图顶层设计如图.所示。其中，是异步清零信号，高电平有效；是六位计数器，用作地址发生器； 是 ROM 数据输出，接外部。图. 简易正弦信号发生器顶层电路设计. 软件编译仿真仿真波形如下：. 硬件下载调试第 8 页图. 下载引脚锁定图. 配置文件下载4 正弦信号发生器的 FPGA 验证4
12、.1 FPGA 简述FPGA 是现场可编程门阵列（Field Programmable Ggte Array）简称。FPGA 器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术。它利用计算机辅助设计，绘制出实现用户逻辑的原理图、布尔方程或用硬件描述语言等方式作为设计输入；然后经一系列转换程序、自动布局布线、模拟仿真的过程；最后生成 FPGA 器件的配置文件，用于对 FPGA 器件初始化。这样就实现了满足用户要求的专用集成电路，真正达到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成电路的目的。概括地说，FPGA 器件具有下列优点：高密度、高速率、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本，设计灵活方便
13、，可无限次反复编程，并可现场调第 9 页试验证。结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。在高可靠应用领域，不会存在复位不可靠和可能跑飞等问题。使用 FPGA期间，一般可在几天到几周内完成一个电子系统的设计和制作，大大缩短研制周期，达到快速上市和进一步降低成本的要求。FGPA/CPLD 经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是 Xilinx 公司的 FPGA 器件系列和 Altera 公司的 CPDL 器件系列，它们开发较早，占据了较大的 PDL 市场。通常来说，在欧洲用 Xilnix 的人多，在日本和亚太地区用 ALTEAR 的人
14、多，在美国则是平分秋色。全球 PLDF/GPA 产品 60%以上是由 Altera 和 Xilinx 提供的，可以讲 Altera 和 Xilinx 共同决定了 PLD 技术的发展方向。当然还有许多其它的公司，如:比 ttiee，vantss ，Aetel，Quieklogie，Lucent等，他们的产品各有特色，走的技术路线也不尽相同。4.2 FPGA 的结构描述FPGA 是大规模可编程逻辑器件除 CPLD 外的另一类 PLD 器件。它使用了另一种可编程逻辑的形成方法，即可编程的查找表(Look Up Table，LUT)结构，LUT 是可编程的最小逻辑构成单元。大部分 FPGA 采用基于
15、SRAM 的查找表逻辑形式结构，就是用 SRAM(静态随机存储器 )来构成逻辑函数发生器。FPGA 器件的内部结构为逻辑单元阵列（LCA） 。LCA 由 3 类可编程单元组成：周边的输入/输出模块（IOB） 、核心阵列式可配置逻辑块（CLB）以及各模块的互连资源。周边可配置模块的 IOB 为内部逻辑与器件封装引脚之间提供了可编程接口；CLB 阵列实现用户指定的逻辑功能；互连资源类似于印制电路板上的引线，可编程并用于模块间传递信号的网络。4.2 FPGA 的配置模式FPGA 的配置模式是指 FPGA 用来完成设计时的逻辑配置和外部连接方式。逻辑配置是指经过用户设计输入并进过开发系统编译后产生的配
16、置数据文件，将其装入 FPGA 芯片内部的可配置存储器的过程，简称 FPGA 的下载。只有经过逻辑配置后，FPGA 才能实现用户需要的逻辑功能。 FPGA 的配置之前，首先要借助于第 10 页FPGA 开发系统，按某种格式要求描述设计系统，在编译仿真后，将描述文件转换成 FPGA 芯片的配置数据文件。选择一种 FPGA 的配置模式，将配置数据装载到FPGA 芯片内部的可配置存储器后，FPGA 芯片才会成为满足要求的芯片系统。芯片编程配置方式有：被动串行（PS ）模式和 JTAG 编程方式。采用被动串行模式，配置数据将通过 ByteBlaster 电缆串行发送到 FLEX 器件（FPGA 芯片）
17、配置数据的收发同步由 ByteBlaster 时钟提供。在 MAX+PLUSII 开发环境下，可直接对 FLEX 器件进行 PS 配置。此种配置方式使用的配置文件为SOF 文件，此文件是在设计综合过程中自动形成的。JTAG 编程方式同时支持 MAX 器件和 FLEX 器件，但由于 MAX 器件的下载文件为 POF 文件，而用于 FLEX 器件的下载文件为 SOF 文件。4.3 系统验证将整体电路编译仿真，并进行引脚锁定后下载到 FPGA 中，然后将示波器和的相关引脚相连。可以看到示波器上显示出了稳定的正弦波形。通过调节时钟信号的频率，可以使出任意频率的正弦波形。5 致谢这篇实验论文写完后，数电
18、这门课的学习就结束了。通过这门课的学习，我真的收获了好多。而且，这次写实验报告又锻炼了我写论文的能力。陈龙老师讲课细心认真，极大地提升了我对这门课的学习兴趣。陈老师对思维的发散和知识的拓展的注重令我印象深刻。此次实验由于过程中的种种原因，导致最终的结果令人不甚满意。但我还是学到了好多，让我深深体会到了拥有坚韧不拔的毅力对一个理科生的重要性。最重要的是我学会了如何与他人合作，极大地提升了和别人就交流的能力。在这里，我衷心感谢陈龙老师，感谢陈老师给我们大一学生学习数电的机会，感谢陈老师给我们大一学生的悉心教诲，让我们提前感受到了电子的魅力，让迷茫的我们不再迷茫。我坚信，在陈老师的指第 11 页导下，我们向电子迈出的脚步将更加坚定有力！目录1 引言 11.1 本课题的研究背景 .11. 本课题的主要研究内容及意义 22 总体设计 42.1 功能要求 42.2 系统设计框图 42.3 基本设计步骤 43 各模块设计 53.1 定制初始化波形数据文件 53.2 定制 元件 53.3 简易正弦信号发生器的顶层电路设计 7. 软件编译仿真 .8. 硬件下载调试 84 正弦信号发生器的 FPGA 验证 .94.1 FPGA 简述 94.2 FPGA 的结构描述 .94.2 FPGA 的配置模式 104.3 系统验证 .105 致谢 .11
