采用EDA技术的波形发生器的设计(2)

常州大学本科生毕业设计（论文）

1 引言

1.1 研究背景

随着现代化集成电路和计算机技术的不断飞跃发展，使得电子产品的设计在市场上的应用更为广泛，而且其实现方法的选择也变得越来越多。基于电路板的设计方法是传统电子产品通用的一中设计方案，这种方法是需要采用较多的固定功能器件，再通过这几器件的设计配合，从而实现模拟电子产品的功能，这些工作的重点就在于如何选择这些器件及怎样设计电路板。

由于可编程逻辑器件的出现和计算机性价比的提高，这影响了传统的数字电子系统的设计方法，对其进行了解放性的革命。现在要实现电子系统的功能是通过设计师自己设计的芯片来完成的，之后将传统的固件选用及电路板设计工作放在芯片设计中进行，这种方法是现代电子系统的设计方法。上个世纪九十年代以来，由于复杂化、数字化和大规模集成化的电子产品设计系统的日趋成熟，使得各种电子系统的设计软件也应运而生。

在这些专业化软件中，EDA (Electronic Design Automation)具有一定的代表性，EDA技术是一种基于芯片的现代电子系统设计方法。它的优势主要集中在能用HDL语言进行输入、进行PLD(可编程器件)的设计与仿真等系统设计自动化上；上个世纪九十年代，可编程器件又出现了模拟可编程器件，由于受技术、可操作性及性价比的影响，今后EDA技术会向模拟可编程器件的设计与仿真方向发展，并占据市场的一定份额。 EDA技术主要包括大规模可编程逻辑器件、硬件描述语言、开发软件工具及实验开发系统4个方面。其中，大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体硬件，描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，开发软件工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化与自动化设计工具，实验开发系统则是提供芯片下载电路及EDA实验、开发的外围资源。

数字化是电子设计的必由之路，这已成为共识。在数字化的道路上，我国的电子技术经历了一系列重大的变革。从应用小规模集成电路构成电路系统，到广泛地应用微控制器或单片机(MCU)，在电子系统设计上发生了具有里程碑意义的飞跃。电子产品正在以前所未有的速度进行着革新，主要表现在大规模可编程逻辑器件的广泛应用。在可编程芯片CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程门阵列)上实现电子系统的设计，必将成为今后电子系统设计的一个发展方向。所以电子设计技术发展到今天，又将面临另一次更大意义的突破，即CPLD/FPGA在EDA(电子设计自动化)基础上的广泛应用。本设计将采用基于VHDL的EDA设计来实现波形发生器的各种功能【1】。

1.2 波形发生器的现状

任意波形发生器是在1975年开发成功的，从此，信号发生器产品增加了一个新品种。在任意波形发生器作为测量用信号激励源进入市场之前，为了产生非正弦波信号，已使用函数发生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等几种特殊波形。声音和振动分析需要复杂调制的信号源，以便仿真真实的信号，只有借助任意波形发生器，例如医疗仪

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器测试往往需要心电波形，任意波形发生器很容易产生各种非标准的振动信号。

早期的任意波形发生器主要着重音频频段，现在的任意波形发生器已扩展到射频频段，它与数字示波器（DSO）密切配合，只要数字示波器捕获的信号，任意波形发生器就能复制出同样的波形。在电路构成上，数字示波器是模拟/数字转换，任意波形发生器是数字/模拟的逆转换，目前任意波形发生器的带宽达到2GHz，足够仿真许多移动通信、卫星电视的复杂信号。

生产数字示波器的仪器公司一般都供应任意波形发生器，如安捷伦、力科、泰克公司，也有只生产任意波形发生器的公司，如雷科、斯坦福公司。仪器有台式、PC机虚拟、VXI总线、PXI总线等多种方式，大部分产品只有1路输出，有的高达16路输出。仪器采样率从最低的100KS/s到4GS/s，相当实时带宽50kHz到最高的2GHz。产生任意波形的方法主要有两种：即存储器和直接数字合成（DDS），前者电路比较简单，分两种形式：相位累加器式与计数器式，但需要较深的存储容量。任意波形发生器的波形定义主要有面板设定、方程式设定、波形下载、软件设定、数字示波器下载、内置编辑器等多种【5】。

1.3 本文结构及内容安排

本文余下几章的结构及内容安排如下：

第二章首先简单介绍EDA开发技术，包括EDA技术的含义，典型的EDA工程设计流程，以及对Quartus II软件的简单介绍。

第三章讨论正弦波发生器的方案。针对课题要求，提出两种可行方案，分别进行简单讨论，然后对两种方案进行比较，最终选择基于波形存储的方案。然后，简单介绍本课题使用的硬件，完成芯片选型和设计平台的选择。

第四章着重介绍了FPGA，简单介绍了FPGA的结构，介绍了FPGA与单片机的区别，详细阐述了FPGA在电路设计中的应用和一些产品设计及其应用。

第五章详细描述了上述方案的FPGA实现。首先给出顶层模块图，然后详细介绍每个模块的功能和代码，以及相应的仿真波形图，最后对仿真结果进行分析。

第六章对本文作出总结，并构思下一步的研究内容。

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2 EDA开发技术概述

2.1 EDA技术的含义

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写。它是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自

[2]

动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。EDA技术可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。

2.2 EDA的工程设计流程

电子设计的全过程分为物理级、电路级和系统级三个设计层次，涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统。EDA技术采用系统级的设计方法，其设计流程如图2.1所示。

图2.1 EDA的工程设计流程图

①源程序的编辑：利用文本编辑器或图形编辑器，将设计用文本方式或图形方式表达出来。常用的源程序输入方式有原理图输入、HDL文本输入和状态图输入。

②逻辑综合和优化：逻辑综合的功能是将软件描述与给定硬件结构联系起来，也就是HDL、原理图或状态图的描述，针对给定硬件结构组件进行编译、优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更底层的电路描述文件。

③目标器件的布线/适配：适配器的功能是将逻辑综合后产生的网表文件配置到指定的目标器件中，并产生最终的下载文件。

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④目标器件的编程/下载：如果编译、综合、布线/适配和行为仿真、功能仿真、时序仿真等过程都没有发现问题，也就是说满足原设计的要求，这时就可以通过编程器或下载电缆将布线/适配器产生的配置/下载文件载入目标芯片FPGA或CPLD中 [1] 。

2.3 Quartus II 8.0简介

Max plus II 作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Max plus II 的更新支持。Quartus II 是Altera公司继Max plus II之后开发的一种针对其公司生产的系列CPLD/PGFA器件的综合性开发软件，它的版本不断升级，从4.0版到10.0版，这里介绍的是Quartus II 8.0版，该软件有如下几个显著的特点： 1、Quartus II 的优点

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，是先进的EDA工具软件。该软件具有开放性、与结构无关、多平台、完全集成化、丰富的设计库、模块化工具等特点，支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。

Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。

2、Quartus II对器件的支持

Quartus II支持Altera公司的MAX 3000A系列、MAX 7000系列、MAX 9000系列、ACEX 1K系列、APEX 20K系列、APEX II系列、FLEX 6000系列、FLEX 10K系列，支持MAX7000/MAX3000等乘积项器件。支持MAX II CPLD系列、Cyclone系列、Cyclone II、Stratix II系列、Stratix GX系列等。支持IP核，包含了LPM/Mega Function宏功能模块库，用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。 3、Quartus II对第三方EDA工具的支持

对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三放EDA工具。

Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。Quartus平台与Cadence、Exemplar Logic、 Mentor Graphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。改进了软件的Logic Lock模块设计功能，增添 了Fast Fit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力 [3] 。

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3 方案设计与比较

3.1 系统功能要求

本设计要求利用实验仪器现有的资源，通过Altera的FPGA器件、D/A芯片、按键输入模块等设计一个全数字化的波形发生器。通过对输入端的控制，可输出正弦波形，并可通过按键对输出波形的频率和幅度进行简单的控制，设计频率变化范围为1Hz-100KHz，幅度变化范围为100mV-5V。由于时钟输入和D/A芯片的性能限制，只选择若干个典型的频率和幅度进行输出，达到演示效果。

3.2 系统框图

本方案的系统框图如图3.1所示，主要包括。

图3.1 系统框图

3.3 软件方案分析与比较

波形发生器有多种可选的实现方案，一种是根据波形函数通过VHDL写出每一种波形的描述代码，再把产生的数据通过外部的D/A转换成相应的模拟波形；另一种是用其他的工具产生各种波形的16进制代码，通过VHDL描述一个ROM和相应的控制器，再在时钟信号作用下，把数据输出到外部D/A转换成相应的模拟波形。下面分别对两种方案进行介绍。 3.3.1

波形函数方案

对于采用第一种方案实现，其外部电路主要有：波形选择开关（拨码开关）、D/A

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