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09级多波形信号发生器开题报告


南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 电子工程与光电技术系

毕业设计(论文)开题报告

学 生 姓 名: 专 业:

陈辉辉

学 号: 电子信息工程

090401215

设计(论文)题目:

基于 FPGA 的多波形信号发生器设计

指 导 教 师:

张晨

2012



12 月

28 日

开题报告填写要求
1.开题报告(含“文献综述” )作为毕业设计(论文)答辩委 员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指 导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师签 署意见及所在专业审查后生效; 2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设 计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,禁止打印 在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见; 3. “文献综述”应按论文的格式成文,并直接书写(或打印) 在本开题报告第一栏目内, 学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇(不包括辞典、手册) ; 4.有关年月日等日期的填写,应当按照国标 GB/T 7408—2005 《数据元和交换格式、 信息交换、 日期和时间表示法》 规定的要求, 一律用阿拉伯数字书写。 “2007 年 3 月 15 日” “2007-03-15” 如 或 。

毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告
1.结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写 2000 字左右的文献综述:

文 献 综 述
一.课题研究的背景及其意义
随着 EDA 技术的高速发展,电子系统的设计技术发生了深刻的变化,现场可 编程门阵列 FPGA 的出现,给设计人员带来了诸多方便,使用其进行产品开发,成本低、 周期短、可靠性高。本课题以 FPGA 芯片为核心,使用 VHDL 语言编写代码,实现多波形 发生器设计。波形发生器是信号源的一种,主要给被测电路提供所需要的已知信号(各 种波形) ,然后用其它仪表测量感兴趣的参数,信号源在各种实验应用和实验测试处理 中应用非常广泛作,为激励源,仿真各种测试信号,以满足测量或各种实际需要。

二.信号发生器的发展和研究现状
传统的波形发生器多采用模拟电路或单片机或专用芯片, 由于成本高或控制方 式不灵活或波形种类少不能满足实际需求。 现有的波形信号发生器大都是利用单片机 (CPU)为核心设计的,这使得电路控制比较方便,电路简单化、小型化。但同时也存 在着许多不足,例如系统的可靠性通常不高,其主要原因是,以软件运行为核心的 CPU 的指令地址指针在外部干扰下,容易发生不可预测的变化,而使运行陷入非法循环中, 使系统瘫痪。 EDA 技术的出现,使得完全利用硬件实现波形信号发生器成为可能。例 如状态机就是很好的选择, 它的运行方式类似于 CPU, 但却有良好的可靠性和高速的性 能。因为在外部干扰情况下,状态机的死机(进入非法状态)情况是可预测的,这包括 非法状态的数量和进入状态的可测性,以及是否已进入的非法状态的可判断性。因为状 态机的编码方式和数量是明确的,从而确保了恢复正常状态各种措施的绝对可行性。

三、FPGA 技术的优势技术的优势技术的优势技术的优势
FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念,内部包括可 配置逻辑模块 CLB (Configurable Logic Block) 输出输入模块 IOB 、 (Input Output Block) 和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA 的基本特点主要有:

(1) 采用 FPGA 设计 ASIC 电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。 (2) FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。 (3) FPGA 内部有丰富的触发器和 I/O 引脚。 (4) FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 (5) FPGA 采用高速 CHMOS 工艺,功耗低,可以与 CMOS、TTL 电平兼容。 可以说, 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。FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的, 因此, 工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。加电时,FPGA 芯片 将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中,配置完成后,FPGA 进入工作状态。掉电后, FPGA 恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无 须专用的 FPGA 编程器, 只须用通用的 EPROM、 PROM 编程器即可。 当需要修改 FPGA 功能时,只需换一片 EPROM 即可。这样,同一片 FPGA,不同的编程数据,可以产生 不同的电路功能。因此,FPGA 的使用非常灵活]7[。 FPGA 有多种配置模式:并行主 模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式;主从模式可以支持一片 PROM 编程多片 FPGA;串行模式可以采用串行 PROM 编程 FPGA;外设模式可以将 FPGA 作为微处理 器的外设,由微处理器对其编程。

四、参考文献参考文献参考文献参考文献
[1] 许光辉. 基于 FPGA 的嵌入式开发与应用. 北京:电子工业出版社, 2006 [2] 王小军 VHDL 简明教程. 北京: 清华大学出版社,1997 [3] 张玉兴. DDS 高稳高纯频谱频率源技术[J]. 系统工程与电子技术. 1997(2)24-28 [4] 白居玉. 低噪声频率合成[M]. 西安交通大学出版社. 1995 年 5 月第 1 版 [5] 郑宝辉. 直接数字频率合成器相位截断误差分析[J]. 无线电工程.1998(6)1-5 [6] 高玉良, 李延辉, 俞志强. 现代频率合成与控制技术. 北京: 航空工业出版社, 2002, 15-150 [7] 潘松,黄继夜. EDA 技术实用教程[M]. 科学出版社 .2005 年第 2 版 1-25 [8] 辛春艳. VHDL 硬件描述语言[M]. 国防工业出版社,2002(1) [9] 林明权. VHDL 数字控制系统设计范例[M]. 电子工业出版社.2003. 224-241 [10] 卢毅、赖杰. VHDL 与数字电路设计[M]. 科学出版社.2003(10)31-38 [11] 褚振勇、 翁木云. FPGA 设计与应用[M]. 西安电子科技大学出版社.2002 (7) 35-49

[12] 徐志军、徐光辉. CPLD/FPGA 的开发与应用[M].电子工业出版社.2002. 65-98 [13] 赵限光、郭万有、杨颂华. 可编程逻辑器件原理、开发与应用[M]. 西安电子科技 大学出版社. 2000. 117-119 [14] 黄智伟. FPGA 系统设计与实践[M]. 电子工业出版社.2005(1)33-35 [15] 冯 程. 用直接数字频率合成器产生正弦波[J]. 华中科技大学学报. [16] Altera Digital Library,Altera Corporation ,Altera,2002; [17] 《电子技术基础》 (数字部分) ,康华光,澳门正规博彩十大网站排名出版社,1991; [18] 《数字逻辑 EDA 设计与实践》 ,刘昌华,国防工业出版社,2006 [19] 数字系统设计与 PLD 应用技术,蒋璇、臧春华编著,电子工业出版社,2001; [20] 周期成.电子设计硬件描述语言.北京:清华大学出版社; [21] 陈怀琛等.MATLAB 及在电子信息课程中的应用[M] . 北京:电子工业出版社,2002. [22] 赵曙光.可编程逻辑器件原理、开发与应用[M] 西安:西安电子科技大学出版社, 2000. [23] 张庆等.程控信号源的数字调频设计.哈尔滨:电测与仪表。2001,(8):29—31. [24] 王彦,方艾,张清明.基于 FPGA 的数字波形发生器 《机械与电子》2004(6). 2003. 7

毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告

2.根据课题要求及文献综述,给出本课题要研究或解决的问题和拟采用的 研究手段(途径) :

开 题 报 告
1.课题题目
基于 FPGA 的多波形信号发生器设计 2.本课题的目的和意义 本课题的目的是通过基于 FPGA 的多波形发生器的设计和制作,使学生学会运用模 电、数电、VHDL 语言和现场可编程门阵列等综合的知识,根据设计要求,完成电子系 统设计和制作的能力。从而达到培养学生解决实际问题的能力。

3.研究或解决的问题及工作内容 1.查阅基于 FPGA 的多波形发生器的相关文献资料,完成文献综述。要求综合 15 篇以 上文献,符合文献综合撰写规范; 2.完成开题报告。要求符合开题报告撰写规范; 3.按照至少产生三种波形发生器的技术要求,选择方案,阐述方案工作原理; 4.按照课题技术要求设计多波形发生器相关的软件程序,要求对相关软件程序加以必要 说明; 5.仿真设计多波形发生器。使用 QUARTUSⅡ仿真软件,仿真结果要求:⑴设计一个波形 发生器能产生正弦波,方波,三角波;⑵用开关输入编辑生成以上波形的线性组合波形; ⑶波形频率可调; 6.撰写毕业设计(论文)说明书。要求符合毕业设计(论文)说明书撰写规范。

4.拟采用的研究方法 1.开发环境开发环境开发环境开发环境 开发平台:PC 机 开发工具:PC 机、FPGA 平台、Quartus II。 2.研究课题的具体方案 1、多波形信号发生器简单设计法分析 多波形信号发生器主要由两大类电路模块组成,即函数发生电路如图和函数选择 电路其中函数发生电路分别包括了产生三角波、 正弦波和方波三种不同函数波形模块。 下图为信号发生器总框图。

2、利用 DDS 设计信号发生器 DDS 是数字式的频率合成器, 数字式频率合成器要产生一个 sinwt 的正 弦信号的 方法是: 在每次系统时钟的触发沿到来时, 输出相应相位的幅度值, 每次相位的增值为 WT(T 为系统时钟周期)。要得到每次相应相位的幅度值,一种简单的方法是查表,即将 0—2Π 的正弦函数值分成 N 份,将各点的幅度值存到 ROM 中,再用一个相位累加器每次累加相位 值 wT,得到当前的相位值,通过查找 ROM 得到当前的幅度值。 DDS 工作过程为:每次系统 时钟的上升沿到来时,相位累加器(24 位)中的值累加上频率寄存器(12 位)中的值, 再用累加器作为地址进行 ROM 查表,查到的值送到 D\A 进行转换。这个过程需要几个时钟 周期,但用 VHDL 设计,每个时钟周期每部分都在工作,实现了一个流水线的操作,实际 计算一个正弦幅度值只用一个时钟周期,但是会有几个周期的延时。

下图即为 DDS 系统结构框图:

3、利用 QuartusII 和 VHDL 语言对各波形发生模块进行仿真 在 Quartus Ⅱ开发平台上,利用可编程逻辑器件 PLD,采用硬件描述语言 VHDL 设计 输入形式,按模块化方式设计出任意信号发生器的程序。然后,通过 EDA 技术,对各模块电路 进行编译、仿真。 对各波形进行分析写出源程序,如:方波函数发生电路应实现这些功能:输出只要两 种不同的取值: 最小值表示全为 0 (十进制表示为 0) 最大值表示为全 1 、 (十进制表示为 255) , 每经过一定数量的时钟周期(在此设定为 64) ,输出信号在两个输出取值之间进行翻转。 在 QuartusII 中输入各波形 VHDL 源程序,然后进行仿真。将三种波形的函数发生电 路的输出信号作为函数选择电路的输入选择信号,即得到选择模块的仿真波形,函数选择模块 的本质即选择译码电路。 4、在 KHF-1 型 FPGA 实验开发系统中进行硬件测试。

三、课题设计工作进度计划
2010-12-28—2011-01-10 查阅课题相关文献资料,分析清楚系统功能,完成 开题报告和英文资料翻译。 2011-01-11—2011-04-10



据要求确定系统实施方案,设计具体的电路;完成

系统的电路设计、程序设计;同时撰写毕业论文初稿。 2011-04-11—2011-05-20

完 成程序调试、测试工作; 完成论文大纲、毕业论文
(修改两稿) 完成系统使用说明书。 ;

2011-05-21—2011-05-28 完 成答辩准备(含答辩 PPT 的制作) ,进行毕业设计答 辩 提交毕业设计论文及各种材料(打印稿、电子稿) 。

2011-05-29—2011-06-05 完成毕业设计全套材料(含电子稿)提交工作

毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告
指导教师意见: 1.对“文献综述”的评语:

2.对“开题报告” (课题的深度、广度及工作量)的评语和对设计(论文)结果的预测:



绩 年 月 日

指导教师 所在专业审查意见:

负责人: 年 月 日



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