摘要：基于FPGA的應用技術，采用Altera公司DE2-70開發(fā)板的CycloneⅡ系列EP2C70作為核心器件，設計了一種基于FPGA的新型可調信號發(fā)生器。通過QuartusⅡ軟件及Vetilog HDL編程語言設計LPM_ROM模塊定制數(shù)據(jù)ROM，并通過地址指針讀取ROM中不同區(qū)域的數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取數(shù)據(jù)間隔的不同，實現(xiàn)調整頻率功能，該系統(tǒng)可產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波4種波形信號，并使用嵌入式邏輯分析儀對產生的不同波形信號進行實時測試，實驗證明，該可調信號發(fā)生器系統(tǒng)軟件模擬數(shù)據(jù)和理論定制波形相吻合。
關鍵詞：信號發(fā)生器；EP2C70；Vetjlog HDL；FPGA

    傳統(tǒng)信號發(fā)生器大多由模擬電路構成，存在連線復雜、調試煩瑣且可靠性較差等缺點。以Verilog HDL編程語言和FPGA器件為核心的可調信號發(fā)生器的設計實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)了系統(tǒng)信號實時快速測量，也為其廣泛應用于實際領域創(chuàng)造了條件。

1 系統(tǒng)總體設計
    可調信號發(fā)生器系統(tǒng)由頂層模塊、EP2C70器件、控制開關和輸入輸出模塊等部分組成，如圖l所示。在FPGA中實現(xiàn)的頂層文件包含地址指針和數(shù)據(jù)ROM2部分。其中，數(shù)據(jù)ROM由QuartusⅡ軟件中的LPM_ROM模塊構成，能達到最優(yōu)設計，LPM_ROM由FPGA中的EAB或ESB實現(xiàn)。數(shù)據(jù)ROM中存儲正弦波、方波、三角波和鋸齒波4種信號各1個周期的波形數(shù)據(jù)(在此選擇1個周期128個數(shù)據(jù)樣點)，地址指針讀取ROM中不同區(qū)域的數(shù)據(jù)，可產生不同的波形，并通過使用嵌入式邏輯分析儀SignalTapⅡ進行實時測試。根據(jù)讀取數(shù)據(jù)間隔的不同，即可實現(xiàn)調整頻率的功能。

2 系統(tǒng)功能模塊設計
    可調信號發(fā)生器系統(tǒng)的功能模塊主要由頂層文件(Verilog HDL源程序)和波形數(shù)據(jù)ROM兩部分組成。波形數(shù)據(jù)ROM設計主要包括設計波形數(shù)據(jù)ROM初始化數(shù)據(jù)文件和定制ROM元件(datarom．v)。
2．1 頂層文件設計
    本系統(tǒng)采用Ahera公司的CycloneⅡ系列EP2C70器件作為核心，通過QuartusⅡ軟件編寫Verilog HDL源程序，實現(xiàn)一個可以產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波4種波形信號，并且能夠實現(xiàn)信號轉換及頻率可調功能的信號發(fā)生器。其中control控制產生波形的種類，00、0l、10、11分別產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波；i控制讀取數(shù)據(jù)間隔，調整頻率。產生正弦波的源程序如下：

2．2 波形數(shù)據(jù)ROM初始化數(shù)據(jù)文件設計
    初始化數(shù)據(jù)文件格式有2種：Memory Initialization FiIe(．mif)格式文件和Hexadecimal(Intel-Format)File(．hex)格式文件。本設計共需要產生4種波形，每種波形1個周期取128個數(shù)據(jù)，因此選用．mif格式文件初始化數(shù)據(jù)個數(shù)Number為512，數(shù)據(jù)寬度Word size取8位的ROM數(shù)據(jù)。在MATLAB中，調用wave=round(255*sin([0：2*pi／(2^9)：2*pi])+256)’；函數(shù)，生成．mif文件，如圖2所示。

2．3 定制ROM元件
    在QuartusⅡ中，利用Mega Wizard Plug-In Manager定制波形數(shù)據(jù)ROM，如圖3所示，經過LPM_ROM宏功能塊設定、選擇dmarom模塊數(shù)據(jù)線寬度和數(shù)據(jù)單元個數(shù)、選擇地址鎖存信號clock及數(shù)據(jù)文件完成LPM_ROM設計，產生可用于例化的波形數(shù)據(jù)ROM文件datarom．v。

3 軟件系統(tǒng)邏輯仿真
    FPGA中的功能模塊進行綜合仿真后，生成配置文件。其系統(tǒng)邏輯功能仿真波形如圖4所示，各信號的邏輯功能和時序配合完全達到設計要求。

4 編譯下載
    在將設計下載到DE2-70開發(fā)板進行驗證之前，首先要進行引腳鎖定，通過Assignments Editor依次對所有15個引腳進行鎖定，其中PIN_-AA23和PIN_AB26分別對應control[0]和control[l]DE2-70開發(fā)板上的SW0和SWl控制4種波形的選擇，具體引腳鎖定如圖5所示。

    將編譯產生的下載文件(．sof)配置進FPGA中，通過選擇DE2-70開發(fā)板的JTAG方式和USB BlasterⅡ編程線進行編程下載，為使用嵌入式邏輯分析儀實時測試所設計的信號發(fā)生器做好準備。

5 綜合分析
    SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀提供了一種對器件進行實時測試的方法，它可以隨設計文件一起下載到目標芯片中，用以捕捉目標芯片中有關信號節(jié)點處的信息，而不影響芯片的正常工作。SignalTapⅡ將測試得到的信號暫存于目標器件的片內RAM中，再通過器件的JTAG端口和USBBlasterⅡ編程線將采得的信號傳出，以供計算機分析。
    下載成功后，設定DE2-70開發(fā)板的工作模式和恰當?shù)目刂菩盘?，使計?shù)器正常工作(inclock頻率設為750kHz)，啟動SignalTapⅡ進行測試，通過改變輸入控制信號得到如圖6所示的4種信號波形圖。改變i的取值，可看到信號頻率也會隨之變化。

6 結束語
    本設計充分利用FPGA具有的靜態(tài)可重復編程和動態(tài)可系統(tǒng)重構的特性，使得硬件功能像軟件一樣通過編程修改，從而提高開發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。測試結果表明：系統(tǒng)軟件模擬數(shù)據(jù)和理論定制波形相吻合，頻率調節(jié)方便，僅在波形光滑程度上存在很小誤差，但這不影響設計結果、波形的觀察和測量以及該可調信號發(fā)生器的使用。通過增加采樣點的數(shù)量及提高程序語句的精確與簡練度，可減少誤差影響。