1、 本科毕业 设计（ 论文 ） 基于 TLC5620 的 FPGA 波形发生器设计 燕 山 大 学 年 月 摘要 I 摘要 随着信息科技的发展，波形发生器在科技社会等多个领域发挥着越来越重要作用。波形发生器一般指自动产生正弦波、方波、三角波等电压波形的电路或者仪器。 传统 波形 发生器大多由模拟电路构成，存在连线复杂、调试繁琐 且可靠性较差等缺点 。 本 课题的研究 结合了 FPGA 控制、 LCD 字符 显示、 DAC 芯片驱动 等相关知识，运用 VHDL 语言描述了一个 波形、幅度、频率均可显示，而且波形可 变、幅度可控、频率可调的波形发生器 。 本文首先介绍基于 TLC5620 的 FPG
2、A 波形发生器设计的背景，其次介绍了本次设计相关的硬件知识，和软件知识。最后，介绍了这次的设计成果。在设计成果中，主要介绍了总体的设计思想，又分别介绍了主控模块 、 波形发生模块、 TLC5620 驱动模块和 LCD1602 显示模块的设计，最后给出了设计成果。 关键词 TLC5620； VHDL； FPGA； LCD1602 燕山大学本科生毕业设计（论文） II Abstract With the development of information technology, waveform generator plays more and more important role in ma
3、ny fields of science and technology and social. Waveform generator generally refers to automatically generate sine wave, square wave, triangle wave voltage waveform of the circuit or instrument. The traditional waveform generator is mostly composed of analog circuit, has complex connections, complex
4、 debugging and poor reliability. This research combines FPGA control, LCD character display, the DAC chip driver and other related knowledge, using VHDL language to describe a waveform, amplitude, frequency can be displayed, waveform generator and waveform, amplitude controlled, variable frequency a
5、djustable. This paper first introduces FPGA waveform generator TLC5620 design is based on the background, then introduces the design of related hardware and software knowledge, knowledge. Finally, introduced the design results of the. In the design work, mainly introduces the overall design idea, an
6、d introduces the main control module, waveform generation module, TLC5620 driver module design module and LCD1602 display, the design results are given. Keywords: TLC5620； VHDL； FPGA； LCD1602 III 目 录 摘要 .I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 .1 1.1.1 研究背景 .1 1.1.2 研究的目的及意义 .2 1.1.3 发展现状 .3 1.2 设计的目的
7、及意义 .4 1.3 论文主要研究内容及结构安排 .6 第 2 章 系统硬件 . 7 2.1 FPGA 基本原理 .7 2.2FPGA 开发板 .9 2.2.1EP2C5T144 核心板 .9 2.2.2PERI1-8KD 外设板 .10 2.2.3PERI2-4DI 外设板 .12 2.3 本章小结 .15 第 3 章 开发软件 . 16 3.1 VHDL 硬件编程语言 .16 3.2 开发软件 QUARTUS II .17 3.3 基于 VHDL 综合的 FPGA 设计流程 .18 3.4 本章小结 .22 第 4 章 设计成果 . 23 4.1 总体设计思想 .23 4.2 分模块设计
8、.24 4.2.1 主控模块设计 .24 4.2.2 波形发生模块设计 .27 4.2.3 显示驱动模块设计 .29 4.2.4TLC5620 驱动模块设计 .31 4.3 最终设计成果 .33 4.3.1 软件部分 .33 IV 4.3.2 硬件成果 . 36 4.4 本章小结 . 37 结论 . 39 参考文献 . 40 致谢 . 41 附录 1. 43 附录 2. 47 附录 3. 51 附录 4. 59 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课 题背景 1.1.1 研究背景 波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器
9、。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。 早在 20 年代，当电子设备刚出现时，他就出现了。随着通信和雷达技术的发展， 40 年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定 性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调试器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器的机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展比较缓慢。直到 1964 年才出现
10、了第一台全晶体管的信号发生器。 自 60 年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的性能指标也有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的发展。 在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波 ，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非
11、常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。 燕山大学本 科生毕业设计（论文） 2 在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、 A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的 功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是 HP 公司推出了型号为 HP770S 的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生软件组成。
12、HP8770A 实际上也只能产生 8 中波形，而且价格昂贵。不久以后， Analogic 公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合成器， Lecroy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等。 到了二十一世纪，随着集 成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的 DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展， 2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M， 2005 年的产品 N6030A 能够产生高达 500MHz的频率，采样的频率可达 1.25GHz。 1.1.2 研究的目的及意义 当今世界在以电子信息技术
13、为前提下推动了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得尤为重要，在国民生产各部门电子信息技 术得到了广泛的应用。 FPGA（ Field Programmable Gate Array）是目前广泛采用的一种可编程器件 1，随着微电子技术的发展，现场可编程门阵列（ FPGA）得到了飞速发展。 FPGA 的时钟延迟可达到纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景，具有工作速度快、集成度高和现场可编程的优点。它的应用不仅使得数字电路系统的设计非常方便，并且还大大缩短了系统研制的周期
14、，缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的品种。而且它的时钟频率已可达到几百兆赫兹，加上它的灵活性和高可靠 性几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中，实现片上系统（ SOC），非常适合用于实现波形发生器的数字电路。这说明基于 FPGA 的波形发生器，有着广阔的前景。培养 FPGA 应用人才，特别是在工程技术人员中普及 FPGA 知识有着第 1 章 绪论 3 重要的现实意义。 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己知信号，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给
15、被测电路，以满足测量或各种实际需要。随着科技的发展， 对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，波形发生器己成为测试仪器中至关重要的一类。传统的波形发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。本设计充分利用 FPGA 灵活的控制、丰富的外设处理能力，实现频率、幅值可调的信号的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、和调幅功能，具有良好的实用性。 1.1.3 发展现状 过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许州一系列的点、直 线和同定的函数段把波形数据
16、存入储器。同时可以利用一种强有力的数学方程式输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。日前可以利用可视化编程语言（如Visual Basic， Visual C 等等）编写任意波形发生器的软而板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。 波形发生器与 VXI 资源结合。波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡及新近开发的 VXI 模块 。由于 VXI 总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用 VXI 系统测量产生复杂的波形，VX
17、I 的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发 VXI 模块的周期长，而且 需要专门的 VXI 机箱的配套使州 ， 使得波形发生器 VXI 模块仅限于航空、军事及国防等人型领域。在民用方面 ， VXI 模块远远不如台式仪器更为方便。 随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新燕山大学本 科生毕业设计（论文） 4 一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过 去的同类产品减少了一半。 早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz，可
18、以形成 256 点（存储长度）波形数据，垂直分辨率为 8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近 30 年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越 来 越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 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己知信号，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提
19、供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。 日前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业。就日前国内的成熟产品来看，多为一些 PC 仪器插卡，独立的仪器和 VXI 系统的模块很少，并且我国目前在波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这 类产品的研制显得迫在眉睫。 当今世界在以电子信息技术为前提下推动了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得尤为重要，在国民生产各部门电子信息技术得到了广泛的应用。 1.2 设计的目的及意义 ED
20、A 的关键技术之一就是要求用形式化方法来描述数字系统的硬件电路 ， 即要用所谓硬件描述语言来描述硬件电路 。 所以硬件描述语言以及相关的仿真、综合等技术的研究是当今 EDA 领域的一个重要课题 2。 在教学实验和测试中，经常需要用到含有特 定频率和幅度的任意函数第 1 章 绪论 5 波形，而这时候往往需要使用波形发生器作为信号源，在其他领域，包括自动控制系统设计通信等领域，经常需要高精度高频率且频率可方便调节的正弦波方波三角波等信号作为信号源。但目前常见的函数发生器要么是采用分立元件，但系统不够稳定，要么是采用专用芯片，但成本过高，均有很大的局限性。在现代数字系统设计中，现场可编程器件 FPG
21、A 和 CPLD 的使用越来越广泛 3。同时，基于大规模可编程逻辑器件的 EDA(电子设计自动化 )硬件解决方案也被广泛采用。 一般地说， EDA 解决方案均采用计算机自顶向下的设计方式， 在底层设计时对逻辑进行必要的描述，并依赖特定的软件执行逻辑优化与器件映射，最后再使用由各芯片生产厂商提供的编译器执行布线和网格优化。虽然对于简单的逻辑，采用原始逻辑图或布尔方程输入可获得非常好的效果，但对于复杂的系统设计，应用以上方案就容易产生错误，而必须依靠一种高层的逻辑，这样就产生了硬件描述语言 HDL，其中符合 IEEE 1076 标准的VHDL 的应用成为新一代 EDA 解决方案中的首选，是整个电子
22、逻辑系统设计的核心 4。 VHDL 最初是美国国防部为其超高速集成电路研究计划提出的硬件描述语言，目的是为了把电子电 路的设计意义以文字或文件的方式保存下来，便于其他人能轻易地了解电路的设计意义。现在已成为 BEG INIEEE的工业标准硬件描述语言之一 5。 波形发生器又叫信号发生器。在现代电子仪器中 ， 信号发生器是一类十分重要的仪器 ， 随着电子测量技术与计算机技术的紧密结合 ， EDA 技术的逐渐娴熟，各种波形发生器应运而生 。 这次的开发基于 TLC5620 的 FPGA波形发生器，利用了 VHDL 硬件描述语言的形式来进行数字系统的设计，并且利用了 EDA 软件 QUARTUS II 进行编译优化仿真，极大地减少了电路设计时间和可能发生的错误，降 低了开发成本，这种设计方法必将在未来的数字系统设计中发挥越来越重要的作用。 通过对本设计项目的研究 ，可以掌握 EDA 设计流程， 提高工程实践能力。使得所学的专业知识得到了实践和运用。
