FPGA函数发生器设计
FPGA函数发生器设计
随着现在工业和科技的不断提高，传统的三极管等分离元件式模拟信号发生器频率稳定性低、可靠性差的特点，已经不可能满足实际应用的需要，所以就必须制作频率稳定性、精确度更高的信号发生器解决这些问题。传统的信号发生器技术对科学的发展带来了很多，而且随着集成电路技术和数字信号处理的发展，直接数字频率合成技术（DDS）已开始被广泛的用于信号发生器的发生和制作当中。
基于现场可编程门阵列器件的高速、高可靠性和现场可编程等优点，本技术已开始广泛应用于数字集成电路设计、数字信号处理、通信等不同的科技领域。利用直接数字频率合成技术FPGA设计的函数信号发生器具有以下优点：
- 输出相位噪声低；
- 频率切换速度快；
- 可以产生任意波形；
- 全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻；
- 灵活的接口和控制方式；
- 比专用芯片功耗也低
工程源码
工作原理
DDS(direct digital synthesizer)是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的 输出次序存储了将要输出波形的数据，在控制电路的协调控制下，以一定的速率，周而 复始地将波形数据依次发送给 D/A 转换器转换成相应的模拟信号。由于用硬件电路取代 了计算机的控制，信号输出稳定度高。如需更新输出信号，不必改动任何线路和元器件， 只需改写存储器中的波形数据即可。更主要的是，可以将微处理器从信号输出的负担中解脱出来。工作流程图如下：
基于对函数信号发生器的几种实现方式的了解，本文选择方便调频的直接频率合成 DDS 技术来实现函数信号发生器。 DDS 的核心就是相位累加器，利用它来产生信号递增的相位信息，整个 DDS 系统在 统一的参考时钟下工作，每个时钟周期相位累加器作加法运算一次。加法运算的步进越大，相应合成的相位值变化越快，输出信号的频率也就越高
模块简介
函数发生器分为以下模块：
按键模块：
通过控制按键，改变频率，相位，占空比。频率控制模块：
通过按键模块传来的改变频率的信息，产生相应的频率控制字，传给波形生成模块。相位控制模块：
通过按键模块传来的改变相位的信息，产生相应的相位控制字，传给波形生成模块。三角波模块
根据时钟信号，生成三角波正弦波模块
根据时钟信号，生成正弦波方波模块
根据时钟信号，生成方波PWM波模块
根据时钟信号，生成PWM波波形控制模块：
通过波形选择，控制输出信号的波形。数码管显示模块：
把频率显示到数码管上。
所有模块如图所示：
仿真效果
错误分析
频率控制字的理解
对频率控制字的理解出现了偏差，最初计划对时钟进行分频来控制波形的频率。根据书上的公式，我们发现可以改变频率控制字来改变输出频率。频率控制字： $f_{out}=\frac{B\left[31..0\right]}{2^{32}}f_{clk} $ 通过改变频率控制字的步进来改变频率步进的大小。
ROM 空间不够
原因：.mif 文件的采样深度太深，数据太多，导致 ROM 空间不够。
按键
- 按键按下时数码管上显示的频率一直在改变，松开按键时频率回到初值
我们怀疑是按键未消抖。编写按键消抖，采用了积分延时消抖的方法。
- 按键消抖后没变化
成功对按键进行了消抖，但按键按下时数码管上显示的频率一直在改变，松开按键时频率回到初值。我么认为 if else 生成的RTL电路太复杂，尝试改成用case描述。
- 把 if else 改成了 case，简化了RTL电路
改成了 case 后，松开按键时频率不会回到初值。但按键按下时数码管上显示的频率仍然一直在改变。经电路分析，我们猜想可能是电路没有触发器的生成，导致在按键按下时，不能做到对按键的下降沿进行检测
如何避免生成锁存器
虽然 always 块里的敏感列表是对下降沿进行检测，但是生成的电路中并没有检测边缘。我们猜测是没有生成触发器的缘故。锁存器最大的危害在于不能过滤毛刺（使能信号有效时，输出状态可能随输入多次变化，产生空翻）。这对于下一级电路是极其危险的。
避免产生锁存器的方法：
- 给输出变量赋初值
- 增加的else语句，使得逻辑完备。
- 时序逻辑电路不会产生锁存器
我们进行了上述操作，成功避免生成了锁存器，但是仍然不能生成触发器。通过网上查找资料，我们发现网上的写法普遍是检测按键后由程序生成一个下降沿，在always块里对该下降沿进行检测。
把按键电平转换为脉冲
使用一个模块，在模块内记录按键的上一个电平的情况，与本次电平进行逻辑操作：
assign buttonout=~((key_temp)&&(!buttonin));该操作使得仅在按键按下的时候有一个脉冲。由于assign buttonout仅是一个单脉冲，顾FPGA可能会将该脉冲视为噪声，故需要电平优化：
1 | wire [2:0]PushButton/* synthesis keep="1" */; |
电平优化后，按键基本正常
心得体会
在两周之前，我们虽然学过EDA这门课、知道Quartus ii、学过Verilog HDL，可是基本不会用，通过两周的课程设计，我们可以进行编程设计，收获颇丰。实践是检验真理的唯一标准，我们这次设计的内容就是在Quartus ii环境中，利用Verilog HDL 语言设计出函数发生器，还要与硬件相结合，把程序加载到芯片上，观察真正的效果。所以，在整个设计学习过程中，我们对EDA这门课有了更深层次的了解，在编写程序的过程中也加深了对Verilog HDL 语言的了解及运用能力。在设计过程中，困难重重，从开始的茫然，到后来的渐渐熟悉，再到最后的设计成型，我们都在一直努力解决问题，一个模块一个模块的考虑再到最后把它们整合在一起，最终完成了这次设计。
为期两周的FPGA课程设计已经结束，从挑选课设题目，查阅资料，到研究出总体设计，详细设计，再到最后的编程上机调试，修改程序，完善程序，收获颇多。锻炼了自己独立发现问题、分析问题和通过查看相关资料来解决问题的能力，使自己扩大了知识面，提高了知识水平。借助仿真软件，不仅可以把课堂中所学到的知识，直接加以运用，而且还可以把各个分离的知识组合为一个整体，真正做到理论联系实际的重要性，使自己在专业知识和动手能力上有了很大的提高。
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