基于fpga的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案

今天給大俠帶來基于 FPGA Vivado 信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，開發(fā)板實(shí)現(xiàn)使用的是Digilent basys 3。話不多說，上貨。

本篇掌握基于 FPGA Vivado 信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，掌握基于添加文件和IP的Vivado工程設(shè)計(jì)流程，掌握基于Tcl的Vivado工程設(shè)計(jì)流程，學(xué)習(xí)信號(hào)發(fā)生器的基本組成結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)原理

信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生頻率波形可調(diào)的信號(hào)輸出，目前僅限于1Hz~4999Hz頻率范圍，波形可選擇三角波，方波，鋸齒波，以及正弦波。本系統(tǒng)在Basys3上構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器，簡(jiǎn)化框圖如下：

原理：首先，通過按鍵設(shè)置波形的頻率，并通過撥碼開關(guān)設(shè)置波形的種類（一共有正弦波、三角波、方波、鋸齒波四種）。頻率值可以通過數(shù)碼管顯示。片上的輸出時(shí)鐘計(jì)算模塊能夠根據(jù)設(shè)置好的頻率值，計(jì)算波形查找表的輸出時(shí)鐘，以及生成查找表的地址。查找表根據(jù)波形選擇模塊，決定輸出何種波形數(shù)據(jù)，并在輸出時(shí)鐘的驅(qū)使下，輸出波形數(shù)據(jù)。最后，片上的DA模塊將波形數(shù)據(jù)發(fā)送給外部DA。本設(shè)計(jì)通過Basys3外接Pmod-DA1模塊，進(jìn)行DA輸出。

操作步驟

基于添加文件和IP

1.?新建工程項(xiàng)目

1）?雙擊桌面圖標(biāo)打開Vivado 2017.2，或者選擇開始>所有程序>Xilinx Design Tools> Vivado 2017.2>Vivado 2017.2；

2）?點(diǎn)擊‘Create Project’，或者單擊File>New Project創(chuàng)建工程文件；

3）?將新的工程項(xiàng)目命名為‘lab5’，選擇工程保存路徑，勾選‘Create project subdirectory’，創(chuàng)建一個(gè)新的工程文件夾，點(diǎn)擊Next繼續(xù)；

4）?選擇新建一個(gè)RTL工程，勾選Do not specify sources at this time(不指定添加源文件)，先不添加源文件。點(diǎn)擊 Next繼續(xù)；

5）?選擇目標(biāo)FPGA器件：xc7a35tcpg236-1或Basys3；

6）?最后在新工程總結(jié)中，檢查工程創(chuàng)建是否有誤。沒有問題，則點(diǎn)擊Finish，完成新工程的創(chuàng)建。

2.?添加已經(jīng)設(shè)計(jì)好的IP和HDL文件

工程建立完畢，我們將所需的IP文件夾(IP_Catalog)和實(shí)驗(yàn)需要使用的HDL文件復(fù)制到已經(jīng)創(chuàng)建的工程文件夾根目錄下：

源文件位于Basys3_workshopsourceslab5SrcHDL_source

復(fù)制完成后，如下圖所示：

1)?在Vivado界面左側(cè)Flow Navigator中展開PROJECT MANAGER，選擇‘Settings’；

2)?彈出窗口中，在左側(cè)Project Settings中展開IP一項(xiàng)，選擇‘Repository’，點(diǎn)擊右側(cè)的添加IP；

3)?選擇復(fù)制到工程文件夾根目錄下的IP文件夾；

4)?點(diǎn)擊OK完成添加；

5)?添加IP至工程。

5.1 在Flow Navigator中展開PROJECT MANAGER，選擇IP Catalog；

5.2 在右側(cè)IP Catalog窗口的搜索框中搜索‘clocking’，雙擊‘Clocking Wizard’開始配置IP；

5.3 配置IP。

5.3.1 將IP的名字由‘clk_wiz_0’修改為‘clock’；

5.3.2 選擇‘Output Clocks’，設(shè)置2路輸出時(shí)鐘（100MHz和50MHz）；

5.3.3 在Enable Optional I/O for MMCM/PLL一項(xiàng)中取消勾選‘reset’和‘locked’選項(xiàng)；

5.3.4 Vivado會(huì)創(chuàng)建新的文件夾保存配置完成的IP，點(diǎn)擊OK繼續(xù)；

5.3.5 彈出Generate Output Products窗口，在Synthesis Options中選擇‘Global’，點(diǎn)擊‘Generate’繼續(xù)。

5.4 同樣的，在IP Catalog窗口中添加Divider Generator，配置如下圖如下圖所示：

5.5 同樣的，依次在IP Catalog窗口中添加debounce和seg7decimal這兩個(gè)IP，使用默認(rèn)IP設(shè)置，無需另外配置，并且Generate Output Products，完成后Sources窗格中如下圖所示：

6)?添加HDL文件至工程

6.1 在Flow Navigator中展開PROJECT MANAGER，選擇Add Sources；

6.2 在導(dǎo)向窗口中選擇‘Add or create design sources’，點(diǎn)擊Next繼續(xù)；

6.3 在Add or Create Design Sources頁(yè)面中選擇‘Add Files’；

6.4 找到lab5根目錄，選中添加下圖所示的2個(gè)HDL文件；

6.5 勾選‘Copy sources into project’，點(diǎn)擊Finish完成添加；

6.6 完成后Sources窗格中如下圖所示：

7)?添加物理約束(XDC)文件

7.1 在Flow Navigator中展開PROJECT MANAGER，選擇Add Sources；

7.2 在導(dǎo)向窗口中選擇‘Add or create constraints’，點(diǎn)擊Next繼續(xù)；

7.3 在Add or Create Design Sources頁(yè)面中選擇‘Add Files’；

7.4 找到約束文件路徑Basys3_workshopsourceslab5SrcConstraint，選中并添加‘signal_gen.xdc’文件；

7.5 勾選‘Copy sources into project’，點(diǎn)擊Finish完成添加。

3.?綜合、實(shí)現(xiàn)、生成比特流文件

1)?在左側(cè)Flow Navigator中依次點(diǎn)擊‘Run Synthesis’、‘Run Implementation’和‘Generate Bitstream’執(zhí)行綜合、實(shí)現(xiàn)和生成比特流文件操作?；蛘?，可以直接點(diǎn)擊‘Generate Bitstream’，Vivado工具會(huì)提示沒有已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，點(diǎn)擊‘Yes’，Vivado工具會(huì)依次執(zhí)行綜合、實(shí)現(xiàn)和生成比特流文件。

2)?完成后，選擇‘Open Hardware Manager’打開硬件管理器。

3)?連接Basys3開發(fā)板，點(diǎn)擊‘Open target’，選擇‘Auto connect’。

4)?連接完成后，點(diǎn)擊‘Program device’。

5)?檢查彈出框中所選中的bit文件，然后點(diǎn)擊Program進(jìn)行下載。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證

1.?基于Analog Discovery2

按照下圖連接方式，首先將Pmod-DA1模塊插入在JC口上方，同時(shí)將Analog Discovery2的示波器CH1的輸出引線1+（橙色）和1-（橙白色）分別與Pmod-DA1模塊的A1和GND相連接。

1）?打開WaveForms軟件，連接Analog Discovery2設(shè)備

2）?在左側(cè)的功能選擇欄選擇‘Scope’，使用示波器

3）?打開示波器，點(diǎn)擊左上角‘Run’按鈕，波形輸出如下圖所示：

2.?基于OpenScope

按照下圖連接方式，首先將Pmod-DA1模塊插入在JC口上方，同時(shí)將OpenScope的示波器CH1的輸出引線1+（橙色）和1-（橙白色）分別與Pmod-DA1模塊的A1和GND相連接。

1）?打開Digilent Agent；

2）?在Windows工具欄右側(cè)，右鍵Digilent Agent圖標(biāo)，選擇‘Launch WaveForms Live’，在瀏覽器中打開WaveForms Live；

3）?選擇在實(shí)驗(yàn)二中已經(jīng)添加的設(shè)備，點(diǎn)擊連接該設(shè)備；

4）?在界面右側(cè)將Time設(shè)置為2ms，找到并展開Osc Ch1（示波器Ch1），保持默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊右上角開關(guān)按鈕，打開示波器。

5）?點(diǎn)擊界面右上角的‘RUN’按鈕，開始運(yùn)行。在左側(cè)的示波器中觀察輸出波形結(jié)果。

通過DIGILENT Basys3開發(fā)板右側(cè)的上下左右鍵進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，以及利用低兩位的開關(guān)來選擇輸出波形。

編輯：黃飛