FPGA应用竞赛设计报告基于FPGA的任意波形发生器设计报告.doc

第一届“炬力杯”FPGA应用竞赛设计报告参赛作品：基于FPGA的任意波形发生器设计The arbitrary waveform generator design based on FPGA参赛学生：（机械学院IE梦之队）指导老师： 指导学长： 2009年7月10日华中科技大学电工电子科技创新中心基于FPGA的任意波形发生器设计林嘉良，刘洵，张莹（华中科技大学电工电子科技创新中心，武汉 430074）摘 要：传统的波形发生器采用模拟技术的方法，这种方法构成的波形发生器电路结构复杂，仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。而现在在高科技领域，我们需要的可能是一些任意波形，如在保密雷达发波等军事方面和地震波形、汽车碰撞波形等模拟仿真应用方面。任意波形发生器现在被广泛用于自动控制系统、振动激励、仪器仪表领域。我国目前在这方面还比较落后，特别是在用DDS技术实现任意波形发生器方面。本课题我们打算用DDS技术基于FPGA核心板设计一个任意波形发生器。该仪器我们用LabVIEW来写的控制面板实现与FPGA的通信，实现任意波形数据的采集，并具有良好的人机交互界面。用液晶显示屏显示波形的幅度和频率。用4×4键盘控制相关波形的输出。用AD和低通滤波电路实现数电到模电的转换。关键词：FPGA，任意波形，DDS，LabVIEW The arbitrary waveform generator design based on FPGA Lin jialiang,liuxun,Zhang ying (Science and Technology Innovation Center of Electrician and Electron, HuaZhong University of Science and Technology, WuHan 430074)Abstract：The traditional waveform generator adopts the method of simulation technology, the circuit structure is complex for the waveform generator using this kind of method , which can only produce sine， square-wave, sawtooth wave ， triangular wave and so on. And now in the high-tech fields, we may need some arbitrary waveform, for example the confidential wave generated by radar in military aspects and seismic waves,and automobile collisions wave simulation application. Arbitrary waveform generator is now widely used in automatic control system, forced vibration, instruments field. At present in this respect, especially in achieving arbitrary waveform generator with DDS technology our country is a little backward. In this task we intend to use DDS technology based on FPGA core board to design an arbitrary waveform generator. About the instrument we rely on control panel by LabVIEW to communicate with FPGA, realize arbitrary waveform data acquisition, and we have good human-machine interface. Wave amplitude and frequency are displayed by LCD, 4 * 4 keyboard is used to control related waveform output. AD and low pass filter realize the change between digital electricity and simulative electricity. Key Words ： FPGA, Sensors, arbitrary waveform ,DDS，LabVIEW一、方案论证与选择1.功能与指标本系统主要是为了产生任意波形而设计的。传统的波形发生器采用模拟技术的方法，这种方法构成的波形发生器电路结构复杂，仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。而现在在高科技领域，我们需要的可能是一些任意波形，如在保密雷达发波等军事方面和地震波形、汽车碰撞波形等模拟仿真应用方面。任意波形发生器现在被广泛用于自动控制系统、振动激励、仪器仪表领域。本课题我们打算用DDS技术基于FPGA核心板设计一个任意波形发生器。该仪器能产生常规的波形和任意波形。 本系统具有如下功能：在系统连接上位机时，通过用LabVIEW生成控制面板来控制FPGA产生任意波形，所能产生波形包括通过控制面板按键选择函数生成所需的规则波形和通过鼠标在控制面板上画出的任意波形。当系统没和上位机相连接时，通过按键输入所需的规则的波形类型，频率和幅值，以便于在没电脑时可以当普通函数发生器使用。该系统配备一个数码管在系统脱机的情况下能显示波形的类型，频率和幅值。 2.方案比较与选择1. DA转换芯片的选择方案一：用串行的DA转换芯片，工作起来简单，电路和驱动程序也简单，但转换速度不高。方案二：用并行的DA转换芯片，电路稍微复杂点，驱动程序差不多，转换速度快 考虑到我们设计的任意波形发生器输出波形的频率最大值是100K左右，DA转换速度要在1M左右，一般便宜的串行DA都很难达到这个速度，而并行DA却很容易达到。并且并行DA生成的八位数据存储更方便。D/A芯片我们采用了市面上比较常用的 DAC0832，该芯片的转换速度是1M，价格便宜，所以用DAC0832就足以满足我们的设计要求了。2. 显示模块方案一：用数码管动态显示波形类型，频率值和电压幅值。方案二：用液晶显示屏显示波形类型，频率值和电压幅值。 方案一需要很多个数码管才可以显示波形类型，频率值和电压幅值，增加了电路的复杂性和成本；而用一个液晶显示屏就能一次性在一个屏幕上显示波形类型，频率值和电压幅值，显示简单易懂，也减少布线的复杂性，所以选择方案二比方案一好。3.滤波放大电路方案一：用7阶贝塞尔滤波器，据相关资料介绍7阶贝塞尔滤波器用在任意波形的滤波效果非常好，但构成电路复杂。方案二：用性能好点的运算放大器能同时满足滤波和放大的功能，电路简洁易成功，但功能相对差点。 方案一的效果可能比方案二要好，但要算所需的电阻和电感的数值比较费时间，我们也很欠缺相关方面的知识。方案二效果虽然差点，但实现起来简单，同时能满足滤波和放大的功能。由于D/A模块输出的最大电压只有5伏，为了获得更大的电压，需要对电压进行运算放大，同时考虑带通要200K左右，性能好点的运算放大器就能满足了，这里我们用了OPA637芯片。所以经过衡量后，我们选择了方案二，用OPA637芯片来实现滤波和放大。3整体系统设计方案综合考虑和比较上述三个子模块的几种方案，我们确定了我们设计的硬件的总体方案。在该系统中，我们采用FPGA作为数据处理和控制核心，用上位机和键盘作为波形类型，频率和幅值参数的输入，用并行DA作为波形滤波和放大模块，用液晶显示屏在脱机时显示波形类型，频率和幅值。二、硬件设计思想及原理图该系统所用到的硬件主要包括FPGA核心板，串口通信模块，D/A转换模块，放大电路模块，键盘模块，显示器模块，电源的模块各部分详细介绍如下:1. FPGA核心板如讲义设计，在此略。2. D/A转换模块：考虑到我们设计的任意波形发生器输出波形的频率最大值是100K左右，所以D/A芯片我们采用了市面上比较常用的 DAC0832，该芯片的转换速度是1M，所以用DAC0832就足以满足我们的设计要求了。另外，由于DAC0832是电流输出型的D/A转换器，因此要经电流电压转换电路将电流转换成电压输出，所以我们采用NE5532运算放大器来实现。由于DAC0832支持直接转换模式，即二进制数直接输来直接转换，无需驱动程序，所以我们可把DAC0832的1,17,2,18和3脚直接接地，19，20和8脚直接接高电平，这样接后二进制数直接输来直接转换模拟信号。由于波形输出有正负值，所以我们采用NE5532来实现这个目标，电路图如下图所示，其中当输进的二进制数是11111111是输出是+5伏，当输入是10000000时是0伏，当输入是00000000时是-5伏，这样就实现了输出是-5伏到+5伏的电压。3. 滤波放大电路：由于D/A模块输出的最大电压只有5伏，为了获得更大的电压，需要对电压进行运算放大，考虑带通要200K左右，性能好点的运算放大器就能满足了，这里我们用了OPA637芯片。在这里我们设计对D/A输出的电压增益1.5倍，根据公式f=1/(2*3.14RC)设计了10MHZ低通，电路图如下所示：4液晶模块：为了能显示输出波形的频率和电压伏值，需要能动态显示的模块，因为Nios II 中提供的LCD IP Core兼容的是Optrex 16207，而Optrex 16207的工业标准与JHD1602的是一样的，所以可以用JHD1602来代替Optrex 16207。在这里我们采用了JHD1602，因为这款液晶在市场上比较好买到，电路图如下图所示：5.键盘模块：为了使该仪器在脱机状态下还能当普通波形发生器使用，所以我们设计了一个4×4键盘，在脱机情况下通过键盘输入控制信息，键盘功能分布如下图所示：0123456789HZKHZ未用未用未用波形选择6，串口通信模块：为了使上位机输来的的二进制波形数据能传入通过nios定制的双端口ROM，需要设计一个串口通信模块，考虑到FPGA的IO口电压是3.3伏，所以我们采用了MAX3232芯片，电路图如下图所示：7.电源模块：由于DAC0832，NE5532和OPA637都需要+-5伏电压才能工作所以需要设计一个极性反转电路，这里我们采用了TC7662A芯片。又因为DAC0832进行数模转换时需要参考电压，为了使输出的电压值比较准确，需要对电源稳压，我们这里用了LM7805来稳+5伏电压，电路图如下图所示：四、软件设计思想与流程框图软件部分主要完成了人机交互模块，SOPC软核模块。软核驱动程序模块正在编写中。在这先介绍下完成的人机交互模块和SOPC软核模块。1. 人机交互模块：上位机软件的开发环境采用NI（美国国家仪器公司）的LabVIEW 8.6。根据上位机所要完成的任务，采用LabVIEW 8.6设计了三种控制模式，一种是基本函数信号发生器，用户通过在界面上直接用鼠标或键盘进行选择，可以输出正弦波、三角波、方波、锯齿波，其中频率、幅值、方波占空比等均可调，将波形数据通过串口送入下位机；一种用于以公式形式的波形输入，用户直接输入波形公式，系统采集相应的波形数据点，通过串口送入下位机，同时可以在控制面板上进行波形参数的调节。使用公式输出用户需要的波形，虽然波形非常精确，但却不能囊括现实世界中遇到的一些无法用公式来表达的波形，为弥补使用公式输出的缺憾，设计了另一种采用鼠标绘制波形的方式，用户移动鼠标可绘制出自己需要的任意波形，系统采集相应的波形数据点，通过串口送入下位机中。控制界面如下图所示：2. SOPC软核模块：根据需求我们在SOPC里添加了标准型cpu内核，JTAG UART core，SDRAM controller core，UART controller core，PIO，LCD IP Core，timer计时器，生成的软核如下图所示：在 Nios II 处理器系统设计完成后，还需要在FPGA 的剩余逻辑单元上添加一些其它的处理器外围电路，来完成一些辅助性的工作。主要包括用于给系统各部分分配时钟的锁相环电路（PLL）和复位延迟电路。如下图所示： PLL 分频模块复位延迟电路路可以使PLL 在系统复位或者是系统配置之后能够利用这段延迟时间稳定下来，如下图所示： 复位延迟模块注：我们的工作就做了这些，由于时间关系就简单说明如上，我们还剩下用C语言写各个模块的驱动程序和主函数的工作以及作品调节工作。五、系统测试和数据1.测试仪器 表一 测试使用的仪器序号名称、型号、规格数量备注1示波器 TDS10021Tektronix2直流稳压电源（5.0V）1宁波中策电子有限公司3万用电表 15B1FLUCK4学习用的FPGA开发板12上位机工作部分检测在系统连接上位机时，通过用LabVIEW生成控制面板来控制FPGA产生任意波形，所能产生波形包括通过控制面板按键选择函数生成所需的规则波形和通过鼠标在控制面板上画出的任意波形。3，液晶显示模块检测由于作品未完成这部分还没能检测 六、结果分析指标阐述、误差分析、所设计电路的特点以及改进意见这个任意函数发生仪最大的特色是，使用使用FPGA开发板和简单的电路就能用数字电路方法来实现任意波形的输出。在脱机时可用键盘完成常规波形的输出。而目前市场上的示波器都是用模拟电路实现的只能输出常规波形，并且价格昂贵。但是该系统也同样存在着很多不足之处。该系统的每一个部分的电路都是比较简单，在排除干扰方面的设计考虑不足；滤波部分我们选择了用运算放大器来滤波，滤波效果不是很好；跟上位机通信我们用的是串口通信，速度慢，可改进为用USB通信；另外我们的系统产生的波形的频率不高，主要是因为好的DA太贵了。七、总结系统虽然还没完成，但我们已经尽自己努力去做了，未完成的原因可能是因为我们选的课题难度高了点。我们单单学Labview和把控制面板就花了一个多月。由于时间关系我们现在还剩下程序没完成。在这次产品的制作过程中，我们与袁涛学长交流了不少，从他那里学了包括硬件调试、程序设计等在内的很多东西，使我们对FPGA的I/O接口、电路设计，程序设计等诸方面都有了进一步的了解。在这次比赛中我们尝试自己去设计所需的电路，尝试自己去编程和解决问题，能力有了一定提高。虽然作品未能完成，但我们团队合作的很愉快，比赛也让我们了解到团队合作的重要性，真正明白了只有依靠团队的共同努力才能把事情办好，这为我们IE梦之队以后参加更多的比赛奠定了合作的基础。这次比赛将在我们的大学生活乃至人生轨迹上留下浓重的一笔。八、参考文献：1薛文. DDS任意波形发生器的设计与实现 南京理工大学 2004.72郑亚民，黄晓舟，可编程逻辑器件开发软件QuartusII.北京：国防工业出版社，20063 康华光电子技术基础（模拟部分）第五版M 武汉：华中理工出版社，19984 华中科技大学电工电子科技创新中心电工电子制作基础（第二版）武汉：2007.75 谢自美电子线路设计·实验·测试（第二版）M武汉：华中科技大学出版社，20026 王磊，陶梅.精通labview8.0. 北京：电子工业出版社，20077 雷振山，labview7.0 Express 实用技术教程. 北京：中国铁道出版社，2004，178