基于EDA技术的函数信号发生器设计

山东省农业管理干部学院学报　２０１０住　第２７卷　第６期　基于ＥＤＡ技术的函数信号发生器设计　陈祖武　（福建师范大学协和学院，福建福州３５　Ｏ１０８）　摘要：基ＥＤＡ技术的函数信号发生器可产生频率可调的正弦波、方波、三角波、锯齿波、递增斜波、递减斜波和　不同占空比的矩形波等多种波形，可根据用户需要进行现场可编程，达到了预定的要求　关键词：电子设计自动化；函数信号发生器；可编程逻辑器件　中图分类号：ＴＰ３０　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００８—７５４０（２０１　０）０６—０１　６卜Ｏ２　一、引言　图ｌ信号发生器整体设计　函数信号发生器，能产生某些特定的周期性时间函数波　三、各模块设计与仿真　形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频　３．１正弦波信号发生模块设计　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　本次设计采用的是取样的方法，以正弦波为例，一个　验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、　周期的正弦波分成６４个样点，每个样点用８位的二进制数　电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是　表示，所以最大值为２５５，最小值是０，其中３２个点是递　载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就　增，３　２个点递减，其增减关系满足公式：设Ａ点函数值　需要能够产生高频的振荡器。除供通信、仪表和自动控制系　是Ｙａ，相位值是Ｘａ，Ｂ点函数值是Ｙｂ，相位值是Ｘｂ，其　统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域【ｌ】。　中Ｂ点是Ａ点的相邻的下一点，则Ａ、Ｂ间满足：Ｙａ／Ｙｂ＝ｓｉｎ　函数发生器在测量中作为信号源的应用也是非常广泛　（Ｘａ＋１８０／３２）／ｓｉｎＸａ　的。要得到一个频率稳定的正弦波、矩形波等多种波形的方　根据这个公式可分别计算，６４个样点的值，并根据这些　法也很多，但是设备的成本都比较昂贵，本文在结合数字逻　值建立．ｍｉｆ文件，如图２示：　辑电路的应用，采用软硬件的方法来实现一个稳定性、可靠　目ｚｘｂ．ｍｉＦ　性较好，成本较低的函数发生器。为此，先对要产生的波形　｝Ａｄｄｒ　＋ｏ　Ｉ＋１　＋２　＋３　ｌ＋４　ｌ　＋５　ｌ＋６　Ｉ＋７　ｌ　信号的一个周期进行采样，将采样点信号顺序存储在ＥＰＲＯＭ　｝０　忙５５　Ｉ２５４　２５２　２４９　２４５　２３９　２３３　２２５　８　２１７　２ｆ　１７　１９７　１８６　１７４　１６２　１５０　１３７　中，再用控制电路调出所需信号，经Ｄ／Ａ转换后，便能得到　｝１６　１２４　１　２　９９　８７　７５　６４　Ｓ３　４３　频率可调的各种波形。　ｌ２４　３４　２６　１９　１３　８　４　１　０　｝３２　０　１　４　８　１３　９　２６　３４　二、函数信号发生器的整体结构　｝４０　４３　５３　６４　７５　８７　９９　１１２　１２４　本次设计的函数发生器主要有几个模块组成：键盘扫描　ｌ４８　３７　１５０　１６２　１７４　１８６　１９７　２Ｏ７　２１７　ｌｓ６　：　２Ｓ　２３３　２３９　２４５　２４ｇ　２Ｓ２　２Ｓ４　２ＳＳ　显示模块、ＦＰＧＡ控制模块、正弦波、三角波、锯齿波、递增　斜波、递减斜波、多路选择器、Ｄ／Ａ转换模块，还有供键盘　图２正弦波ＭＩＦ表　使用的普通分频计和供各个波形模块使用的可调分频计。如　再利用ＭｅｇａＷｉ　ｚａｒｄ　Ｐｌｕｇ—Ｉｎ　Ｍａｎａｇｅｒ定制正弦信号数　图１所示。—　据ＲＯＭ宏功能块，并将以上的波形数据加载于此ＲＯＭ中。通　过编辑源程序，调用元件例化语句，将ＲＯＭ中数据传送至数　模转换模块中。例化语句如下：　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｚｘｂ　ｐｏｒｔ（ａｄｄｒｅｓｓ：ｉｎ　ｓｔｄ　ｌｏｇｉｃ　ｖｅｃｔｏｒ（５　ｄｏｗｎｔｏ　０）：　ｉｎｃ１ｏｃｋ：ｉｎ　ｓｔｄｌｏｇｉｃ：　ｑ：ｏｕｔ　ｓｔｄｌｏｇｉｃ　ｖｅｃｔｏｒ（７　ｄｏｗｎｔｏ　０））：　作者简介：陈祖武（１　９　７　９一），男，硕士，专业方向通讯和可编程设计。　ｌ６ｌ　ｅｎｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ：　性，最大的样点值可能为２５３或２５２等，使得最终的波形　值可能为３．５９Ｖ或３．５３Ｖ不等。模块的最大频率可达４４．　ｕＩ：ｚｘｂ　ｐｏｒｔ　ｍａｐ（ａｄｄｒｅｓｓ＝＞ｑ１，ｑ＝＞ｄｏｕｔ，ｉｎｅｌｏｃｋ＝＞　ｃｌｋ）：　对程序进行功能仿真，即波形图仿真，如下：　Ｉ　Ｐ　Ｍ　蛳　鲫Ｐ　蛳ｐ　Ｍ　ｔ　：　”ｌ　｝　Ｉ　ｎ　ｎ　ｎ九ｎｎ几ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ几几几几九　ｎ　ｎ　ｎｎ　ｎ　九ｎ九ｎ　ｎ　ｎｎｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　ｒ　图３正弦波功能仿真图　由图３可知，波形仿真无误，其ｄｏｕｔ值与．ｍｉｆ文件里的　值完全一样，之后便可进行模拟量仿真，由于ＤＡＣ７５１３的特　性，共ｌ２位有效位，且是单位输出，应在正弦波程序中添加　程序，使ｄＯＬＩｔ成为２个字节（即１６位二进制数）的移位　输出。且ＤＡＣ７５１３需要一个１７倍于时钟周期的下降沿触发　信号ｌｏａｄ，和一个时钟信号周期Ｔｃｌｋｌ，该时钟信号Ｃｌｋｉ　在综合模拟时是与输出波形周期Ｔ有一定的关系：　Ｔｃｌｋｌ爿ｃ６４　１７＝Ｔ。　程序修改后的功能仿真图见下：　图４正弦波加数模程序后的仿真图　由可知每一个ｌｏａｄ下降沿来的时候，ｄｏｕｔ开始按位传　送数据，由于ＤＡＣ７５１３有效位是１２位，所以每１６位的１５～　ｌ２位数是作为无效位或控制位，由于本次设计建立．ｍｉｆ文　件是采样６４个点，每个点是８位二进制数，所以最大值是２５５　（即“１ｌ１１１　ｌｌｌ”），而且在程序中是将这些样点值分别乘以　ｌ６，并把最终的数转换为ｌ６位二进制数。连接硬件，对程序　进行下载测试，并用示波器观察波形：　图５正弦波波形图　正弦波形如图所示，由于并未加分频计，该波形频率还　不能够任意可调，此时波形幅值为３．５９Ｖ，周期２２．７ｕｓ，已　知实验板所加频率为４８ＭＨＺ，两个时钟周期程６４．１　７的倍数　关系，符合原理。由于ＤＡＣ７５１３芯片的ＶＲＥＦ值为３．６Ｖ，所以　本次设计的最大幅值是３．６Ｖ，在设计中由于不同的波形特　・１６２・　２ＫＨＺ，３．２其他波形的模块设计　三角波、锯齿波等原理与正弦波相同，最终所得的波　形图如下：　图６三角波波形图　图７锯齿波波形图　４、结论　波形结果与上面各个模块的测试结果一样，波形选择也　没有任何问题，对频率进行调节时的结果如下：频率的理论　范围是０～２２．０５ＫＨＺ（２４００００００／６４／１７），实际测试出的频率　与输入频率对比结果如下：　表１测试与仿真对照表　输入频率（Ｈｚ）　显示频率（Ｈｚ）　误差（％）　１ＯＯ　９６　４．０　５００　４８２　３．６　３０００　２８９０　３．６７　８０００　７７６２　２．９８　１２０００　１１７００　２．５　２００００　１９５８０　２．１　从表中可以看出，虽然由于器件在时钟建立时间，时钟　保持时间，时钟至输出延时，时钟至引脚延时，外部延时（信　号从外部器件到达输入引脚的延时）等引起误差，但总的误　差不大，所以基于ＥＤＡ基础的信号发生器的设计是可行的，　具有一定的应用前景。　参考文献：　［１］宗荣芳，智能函数信号发生器的设计，信息技术与信息化　的开发与应用，２００７．２　［２］付江蔚．基于ＤＤＳ信号发生器的研究和设计［Ｄ］．　电子科技　大学，２００７．　［３］王正兰，基于ＡＴ８９Ｃ５　ｌ的多功能智能实验测试仪器的设计与　实现，兰州大学，２００６年　［４］郑常胼．　基于ＦＰＧＡ和ＥＤＡ硬件教学实验的设计与开发［Ｄ］．　天津大学，２００７　［５］雷道仲．基于ＦＰＧＡ的正弦信号发生器研究与设计［Ｄ］．湖南　师范大学，２００８．　［６］潘松、黄继业，ＥＤＡ技术实用教程（第三版），科学出版社　２００９、ｌ　［７］任志平，基于ＥＤＡ技术的智能函数发生器的设计，科学技术　与工程２００８．２　编辑：冯惟榘