课程设计--可调幅度简易波形刺激发生器设计

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1、1 1、前言 可调幅度简易波形刺激发生器是信号发生器的一种，在生产实践和科研领域 中有着广泛的应用。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设 备时，都需要有信号源，由它产生不同幅度不同波形的电压、电流信号并加到被 测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们 的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。 它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波和方波等,因而广泛用于通信、雷达、 导航、宇航等领域。 在本设计中它能够产生多种波形，如正弦波,三角波和方波等，并能实现对各 种波形幅度的改变。正因为其在生活中应用的重要性，人们它做了大量

2、的研究， 总结出了许多实现方式。可以基于 FPGA 、VHDL、单片机、DOS 技能、数字电路等 多种方法实现。 本设计是采用 VHDL 来实现的可调幅度简易波形刺激发生器设计。它能产生正 弦波,三角波和方波。且对各种波形的要求如下： （1）设计一个简易多功能信号发生器，产生稳定的波形： 正弦波，三角波，方波； （2）信号发生器波形信号的选择由拨码开关控制选择。 （3）信号发生器输出信号幅度要求：幅度为 1.25V、2.5V、5V。 幅度控制由拨 码开关实现。输出频率不做要求。 （4）波形通过 DA 转换后在示波器上显示。 2 2、FPGA 原理及特点 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（L

3、ogic 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。现场可编程门阵列（FPGA） 是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如 PAL，GAL 及 CPLD 器件）相比，FPGA 具有不同的结构，FPGA 利用小型查找表（16X1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表 连接到一个 D 触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动 I/O，由此构 成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元

4、模块，这些模 块间利用金属连线互相连接到 I/O 模块。FPGA 的逻辑是通过向内部静态存贮单元 加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以 及各模块之间或模块与 I/O 间的连接方式，并最终决定了 FPGA 所能实现的功能 FPGA 允许无限次的编程。 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 IO 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

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

6、。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。 3 3、设计方案 3.1 实验要求及总体框图 根据实验设计要求，可将设计分为以下几个模块（如图 3.1） ： （1） 波形产生模块。主要用来产生三种波形（正弦波、三角波、方波） 。 （2） 波形选择模块。该模块用于选择当前输出的为何种波形。 （3） 幅度控制模块。用于控制输出信号的幅度，本设计中要求有三个档位，即 1.25V，2.5V，5V。 （4） DA 转换。用于将前面的数字信号转换成模拟信号。 （5） 输出模块。用实验室提供的示波器观察检测生成的波形。 图 3.1 本设计采用模块化编程，在工程中编写各个模块的程序，然后生成 symbol 文 件，最后在顶层文件中连线编译下载即可。 4 3.2、单元程序设计及仿真分析 3.2.1 方波的发生模块 设计中利用计数的方法来产生方 波，原理类似于分频器：对脉冲进行计 数，从 0 计到 31 即计数 32 个脉冲，输 出高电平（1023） ；从 32 计到