基于FPGA的正弦脉宽调制波设计（一）-xlhtracy的回答

基于FPGA的正弦脉宽调制波设计（一）

2020-02-17 19:43发布

本帖最后由 IT举人于 2015-5-16 19:00 编辑

由于最近比较多的同学们问的怎么用FPGA设计spwm和正弦函数输出，所以的干脆写个帖子来教大家，这样可以系统和详细一点。由于本人也是初学FPGA，所以难免会有差错，望大家多多指出。好吧，我们先来看看题目要求：
基本功能： （1 ）实现单相正弦波脉宽调制信号（SPWM）输出。 （2）调制波（正弦波）的频率至少有三档可调，且频率显示在数码管上； （3）按钮开关输入须消抖处理。 （4）同时输出调制波（正弦波），使得可以将正弦波和SPWM同时显示在示波器上。 注：由于实验板上无数模转换（D/A）芯片，因此需设计一PWM发生器。正弦波数据输入PWM发生器，产生PWM信号，PWM信号经过RC低通滤波器输出模拟电压。在完成基本功能的基础上，可发挥增加一些实用的功能。

图一
即是题目要求我们输出两路，一是SPWM，另是调制波（正弦波）。其实无论是spwm还是调制波，归根到底都是正弦波的问题，所以本题的难点和重点都在于正弦波。下面我们就先说说怎么输出正弦波。一、正弦信号输出正弦波输出有多种方法，其中最常用的就是查表法。查表法即是在事先把正弦函数的数据点存进FPGA的ROM，然后再根据ROM中的数据生成相应的PWM，再经过低通滤波后输出就是正弦信号了。1、正弦信号数据ROM的定制利用quarterii是可以自由的定制ROM数据（.mif文件）并且生成元件（.vhd文件）的。步奏如下：1.1、建立.mif 格式文件。首先选择 ROM 数据文件编辑窗，即在 File 菜单中选择“New” ，并在 New 窗中选择“Memory Initialization File” （图 1-1~1-3），点击 OK 后产生 ROM 数据文件大小选择窗。这里采用 512 点 8位数据的情况，可选 ROM 的数据数 Number 为 512，数据宽 Word size 取 8 位。点击“OK” ，将出现如图 3-12 的空的 mif数据表格，表格中的数据为 10 进制表达方式，任一数据（如第1行的 12）对应的地址为左列与顶行数之和）。将波形数据填入此表中，完成后在 File 菜单中点击“Save as” ，保存此数据文件，在这里不妨取名为.sin_512.mif。

图1-1

图1-2

图1-31.2 根据.mif文件生成元件。利用建立好的.mif文件是可以自动生成元件代码的，这一点非常好用，勉去了我们手动添加代码麻烦。
设置 MegaWizard Plug-In Manager 初始对话框。在 Tools 菜单中选择“MegaWizard Plug-In Manager” ，产生图①的界面，选择“Create a new custom…”项，即定制一个新的模块。点击“Next”后，产生图 ② 对话框，在左栏选择“Memory Compiler”项下的 ROM 1port，再选“Cyclone”器件和 VHDL 语言方式，最后键入 ROM 文件存放的路径和文件名：，点击“Next” 。选择 ROM 控制线和地址、数据线。在图③所示的对话框中选择地址与数据的位宽分别为 8 和 512，选择地址所存控制信号 inclock 。接着倒入在1.1中建好的mif文件，如图⑤，之后一直保持默认。最后完成 ROM 文件sin_512.vhd的生成。

在工程文件下可以看到生成的ROM文件sin_512.vhd，点击打开发现其代码如下：

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
LIBRARY altera_mf;
USE altera_mf.all;
ENTITY sin_512 IS
PORT
(
address : IN STD_LOGIC_VECTOR (8 DOWNTO 0);
clock : IN STD_LOGIC := '1';
q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0)
);
END sin_512;
ARCHITECTURE SYN OF sin_512 IS
SIGNAL sub_wire0 : STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0);
COMPONENT altsyncram
GENERIC (
clock_enable_input_a : STRING;
clock_enable_output_a : STRING;
init_file : STRING;
intended_device_family : STRING;
lpm_hint : STRING;
lpm_type : STRING;
numwords_a : NATURAL;
operation_mode : STRING;
outdata_aclr_a : STRING;
outdata_reg_a : STRING;
widthad_a : NATURAL;
width_a : NATURAL;
width_byteena_a : NATURAL
);
PORT (
address_a : IN STD_LOGIC_VECTOR (8 DOWNTO 0);
clock0 : IN STD_LOGIC ;
q_a : OUT STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0)
);
END COMPONENT;
BEGIN
q <= sub_wire0(6 DOWNTO 0);
altsyncram_component : altsyncram
GENERIC MAP (
clock_enable_input_a => "BYPASS",
clock_enable_output_a => "BYPASS",
init_file => "sin_512.mif",
intended_device_family => "Cyclone II",
lpm_hint => "ENABLE_RUNTIME_MOD=NO",
lpm_type => "altsyncram",
numwords_a => 512,
operation_mode => "ROM",
outdata_aclr_a => "NONE",
outdata_reg_a => "CLOCK0",
widthad_a => 9,
width_a => 7,
width_byteena_a => 1
)
PORT MAP (
address_a => address,
clock0 => clock,
q_a => sub_wire0
);
END SYN;

复制代码
代码中的结构体部分我们不用理会，只需关注其实体定义即可。实体就三个参数： address       : IN STD_LOGIC_VECTOR (8 DOWNTO 0);
clock       : IN STD_LOGIC := '1';
q       : OUT STD_LOGIC_VECTOR (6 DOWNTO 0)从参数可以看出，我们只要传进ROM的地址address（即是mif表格中的左列数addr+行数之和，类似数组的下标）和给个工作时钟clock       ，它即输出了此地址对应的数据q；
注意，在1.1中我们手动生成mif只要是为了让大家更好地理解好ROM储存的结构，其实有一款非常好用的软件Guagle_wave（附录一）可以直接生成我们想要的各种波形的mif文件，然后再按照1.2的步骤生成元件即可（如果有同学已完全手动生成的ROM数据，会会被打死呢:funk::funk:）打开软件，如图3-1。接着在查看—>全局参数，设置参数，如图3-2。设置完参数好，在设定波形菜单下选择正弦波，即可生成相应参数的正弦波数据点，图3-3。最后点击另存为，把mif文件保存你的工程目录下，图3-4，即可大功告成。