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--- book_excise_waveform_generator [2021/08/18 15:50]
zili
+++ book_excise_waveform_generator [2021/08/18 16:30] (当前版本)
zili
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 ## 波形发生器实验
-### 实验内容
+### 1. 实验内容
-本程序要求设计一个波形发生器，生成正弦波、三角波、经过ASK调制的正弦波和经过BSPK调制的正弦波，通过开关可以选择波形，改变输出频率。各开关的控制功能如表 9 1和表 9 2所示。
+本程序要求设计一个波形发生器，生成正弦波、三角波、经过ASK调制的正弦波和经过BSPK调制的正弦波，通过开关可以选择波形，改变输出频率。各开关的控制功能如表 9-1和表 9-2所示。
 <WRAP centeralign>
-表 9 1 波形选择控制
+**表 9-1 波形选择控制**
 </WRAP>
-| 输入端口 |SW1 SW2|波形|
+|输入端口|SW1 SW2|波形|
 |wave_selc| 0    0|ASK调制的正弦波|
 |:::|0    1|正弦波|
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 |:::|1    1|BPSK调制的正弦波|
+<WRAP centeralign>
+**表 9-2  频率选择控制**
+</WRAP>
+|输入端口|SW3 SW4|频率|
+|fre| 0    0|500KHZ，每周期采样100点|
+|:::|0    1|1MHZ，每周期采样50点|
+|:::|1    0|2MHZ，每周期采样25点|
+|:::|1    1|5MHZ每周期采样10点|
 \\
 \\
-### 实验原理
+### 2. 实验原理
+{{ :图9-1.png |图9-1 任意波形发生器原理图}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-1 任意波形发生器原理图**
+</WRAP>
+本实验运用查表法来实现信号发生器，查表法的由相位累加器和存储器构成，如图9 1所示。相位累计器的功能是产生正弦波和三角波的相位值。每隔一个时钟周期，累加器的相位值自动增加一定的相位值，并将当前的相位值作为查找表的输入值进行查表。通过改变每次增加的相位值可以控制输出信号的频率。例如，每个时钟周期累加器的相位值增加90度，则4个时钟周期产生一个完整的正弦波。输出信号的周期为时钟周期的1/4。
+查找表用RAM来构造。例如，如果把相位值作为RAM的地址，只要在该地址中存储相应的正余弦幅度值，就可通过相位值寻址RAM，输出正弦函数。
+由于FPGA芯片的存储器资源非常有限，如何有效的利用资源成为本实验非常关键的地方。考虑到正弦波以及三角波的周期性与对称性，在RAM表中只需要存储1/2 周期的波形数据即可。在本设计中，一个波形周期内的采样点为100个，因此实际在RAM表中只需存50个采样点，这样就减少了芯片硬件资源的消耗。
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 \\
 \\
-### 程序设计
+### 3. 实验设计
+#### 3.1 程序架构
+程序的总体架构如图9 2所示，程序的顶层模块为arbty_wave。其中有四个模块Sine_wave、ASK_squwave、BPSK_squwave和tri_wave，分别生成正弦波、ASK正弦波、BPSK正弦波和三角波。通过一个多路选择器选择需要输出的波形，由输入信号wave_selc来控制。
+{{ :图9-2.png |图9-2 程序架构}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-2  程序架构**
+</WRAP>
+顶层模块arbty_wave的输入输出接口如下：
+<code verilog>
+input clk;					//系统时钟, 50MHz。
+input rst_n;				//异步复位，低电平有效。
+input [1:0]wave_selc;		//波形选择开关, sw1, sw2。
+input [1:0]fre;				//频率选择开关, sw3, sw4
+output [13:0]wave;			//输出波形。
+output clk_out;				// D/A转换的时钟
+</code>
+程序中的四个模块发生器的结构非常类似，在此以正弦波为例介绍设计思路。\\
+#### 3.2 sine_wave模块
+sine_wave产生频率可调的正弦波形，输入输出接口如下：
+<code verilog>
-\\
+input clk;				//系统时钟,50MHZ
-\\
+input clr;				//异步置位，低电平有效
-### 仿真结果
+input [1:0]fre;			//频率选择开关
+output [13:0]wave_si;   //输出正弦波
+</code>
+本实验要生成的正弦波形图如图9 3所示，过零点在2000H处。在实验原理中已经指出，本实验中采用查表法生成所需要的波形，查找表中存储了正弦波的相位和幅度之间的对应关系，查找表存储在FPGA的内部存储器中，使用QuartusⅡ的Mega Winzard来定制需要的RAM。
+每一个周期的正弦波有100个采样点，原则上要在RAM中存储这100个采样点的幅度值，但是由于正弦波的前半个时钟周期和后半个时钟周期是对称的，因此只需要存储前面50个采样点的幅度值即可。后半个时钟周期采样点N的幅度值等于2000H－采样点(N-50)的幅度值。
+{{ :图9-3.png |图9-3  正弦波形图}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-3  正弦波形图**
+</WRAP>
+在生成RAM前，先用matlab计算正弦波的幅度值：
+<code verilog>
+          x=round(sin(linspace(0,pi,49))*5200);
+          for i=1:1:49
+               y=x(i)
+          end
+y=
+    340  679  1014  1346 1671  1990 2300
+2889 3166 3429  3677 3910  4125 4324
+4664 4804 4924  5023 5100  5156  5189
+5189 5156 5100  5023 4924  4804 4664
+4324 4125 3910  3677 3429  3166 2889
+2300 1990 1671  1346 1014  679  340
+</code>
+在Quartus II中新建一个.mif文件，用于存储正弦函数的幅度值，这些值将初始到内部存储器中。在QuartusⅡ中新建.mif文件的过程为：File-〉New-〉Other Files-〉Memory Initialization File。将上述数据复制到.mif文件的表格中（图9 4），保存上述.mif文件为data_sine.mif。
+{{ :图9-4.png |图9-4  mif文件内容}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-4  mif文件内容**
+</WRAP>
+用Quartus II中的Mega Winzard定制一个单端口ROM，具体流程如下：\\
+) 点击Tools菜单栏下的“Megawizard  Plug-in Wizard”选项，新建一个megafunction variation(图 9-5)。
+{{ :图9-5.png |图 9-5 新建megafunction variation}}
+<WRAP centeralign>
+**图 9-5 新建megafunction variation**
+</WRAP>
+) 选择ROM:1-PORT，设置器件类型为CycloneⅡ，输出文件类型为Verilog HDL，输入文件名sine，点击下一步（图9-6）。
+{{ :图9-6.png |图9-6 选择RAM类型}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-6 选择RAM类型**
+</WRAP>
+) 定义存储器深度为50个字（word），存储器的深度为14bit。使用M4K存储器。点击下一步（图9-7）。
+{{ :图9-7.png |图9-7 设置RAM参数}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-7 设置RAM参数**
+</WRAP>
+) 将新建的data_sine.mif文件导入至RAM中（图9-8）。
+{{ :图9-8.png |图9-8 导入mif文件}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-8 导入mif文件**
+</WRAP>
+) 然后按finish完成了1-PORT ROM的定制。
+在sine_wave模块中，计数器counter作为相位控制器来根据频率的来决定相位的变化。
+<code verilog>
+module BPSK_sqwave(clk, clr, fre, bpsk_sq);
+		input clk;				//时钟信号,50MHZ
+		input clr;				//复位信号
+		input [1:0]fre;			//频率控制信号
+		output [13:0]wave_si;	//正弦波形输出
+		reg [13:0]wave_si;
+		reg [5:0]index;			//RAM地址
+		//counter控制正弦波的相位，根据频率的不同控制相位的变化。
+reg [6:0]counter;
+		wire [13:0]q;
+		//正弦波幅度存储器，index和clk是输入，q为幅度输出。
+		sine sine (index, clk ,q);
+//phase_controller确定正弦波的相位counter。
+always @(posedge clk or negedge clr) begin  : phase_controller
+if(!clr)
+   	counter<=7'b0;
+else begin
+case(fre)
+'b00: begin //频率500KHz，每信号周期采样100个点。
+			if(counter>=7'b110_0011)
+				counter<=7'b0;
+			else
+			     counter<=counter+7'b1; //每时钟周期加1。
+		end
+'b01: begin //频率1MHz，每信号周期采样50个点。
+			if(counter>=7'b110_0010)
+		 		counter<=7'b0;
+			 else
+			     counter<=counter+7'd2; //每时钟周期加2。
+		end
+'b10: begin //频率2MHz，每个信号周期采样25个点。
+			if(counter>=7'b110_0000)
+			  	counter<=7'b0;
+			  else
+			 	counter<=counter+7'd4; //每时钟周期加4。
+		end
+'b11: begin //频率5MHz，每信号周期采样10个点。
+			if(counter>=7'b101_1010)
+			  	counter<=7'b0;
+			else
+				counter<=counter+7'd10; //每时钟周期加10。
+		end
+endcase
+		end
+end
+	//index_controller控制RAM访问地址index，由于sine的对称性，
+//当相位小于50时，index等于相位；当相位超过50时，相位减去50得到index。
+always @ (counter ) begin : index_controller
+		if(counter<=7'b011_0001)
+			index<=counter;
+		else
+		   	index<=counter-8'd50;
+	end
+	//由于对RAM的访问需要两个时钟周期，因此对相位counter延时2个时钟周期，得到
+	//counter2，counter2和RAM的输出q同步。
+	reg [6:0] counter1;
+	reg [6:0] counter2;
+	always @(posedge clk or negedge clr) begin
+		if(!clr)  begin
+			counter1 <= 0;
+			counter2 <= 0;
+		end
+		else begin
+			counter1 <= counter;
+			counter2 <= counter1;
+		end
+	end
+	//wave_si_out产生正弦波波形输出。
+	always @(posedge clk or negedge clr) begin : wave_si_out
+		if(!clr)  begin
+	     	wave_si<=14'b0;
+	    end
+		else begin
+			if( counter2<=7'd50 )
+				wave_si<={1'b1,q}; //相位小于50时，将q信号加上2000h输出。加2000h的目的是2000h为正弦波的过零位置。
+			else
+				wave_si<=14'h2000-q //相位大于50时，取的q值是counter2-50的幅度值，需要由过零值2000h减去q，得到对应的值。
+		end
+	end
+endmodule
+</code>
 \\
 \\
-### 演示程序文件说明
+### 4. 运行结果
+图9-9到图9-12为通过SignalTap看到的运行结果，分别是正弦波、三角波、ASK调制波形和BPSK调制波形。
+{{ :图9-9.png |图9-9 SignalTap波形——正弦波}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-9 SignalTap波形——正弦波**
+</WRAP>
+{{ :图9-10.png |图9-10 SignalTap波形——三角波}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-10 SignalTap波形——三角波**
+</WRAP>
+{{ :图9-11.png |图9-11 SignalTap波形——ASK调制正弦波}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-11 SignalTap波形——ASK调制正弦波**
+</WRAP>
+{{ :图9-12.png |图9-12 SignalTap波形——BPSK调制正弦波}}
+<WRAP centeralign>
+**图9-12 SignalTap波形——BPSK调制正弦波**
+</WRAP>
+用逻辑分析仪观测波形时要注意，在Data栏右键点击wave信号，选择Bus Display Format→Unsigned Line Chart，这样可以更形象地考到波形输出。
+此外，从SignalTap看到的波形是未经过D/A转换的数字波形图，用示波器连接到D/A芯片的输出管脚可以看到经过D/A转换后的模拟波形。
 \\
 \\
-### 演示程序使用
+### 5. 程序文件说明
+|文件名|功能|
+|arbty_wave.v|主程序|
+|sin_wave.v|频率可调正弦波发生程序|
+|tri_wave.v|频率可调三角波发生程序|
+|Pwmtest.mpf|ModelSim仿真工程|
+|ASK_sq.v|频率可调ASK调制正弦波发生程序|
+|BPSK_sq.v|频率可调BPSK调制正弦波发生程序|
+\\
+\\
+### 6. 演示程序使用
+  演示设备要求：核心板，扩展板。
+  演示步骤：把程序下载到开发板上之后，配置好逻辑分析仪，通过逻辑分析仪观察输出结果。通过扩展板上的按键可观察到波形的变化，通过拨动SW1、SW2，可观察到波形的改变；通过波动SW3、SW4，可观察到波形频率的改变。