YiYi binbin UniversityUniversityEDA 技技术术及及应应用用 课课程程设设计计报报告告 题题 目目 基于基于 VHDLVHDL 的的 PWMPWM 信号发生器信号发生器系系 别别 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 专专 业业 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 学生姓名学生姓名 学学 号号 班班 级级 20132013 年年 1212 月月 2121 日日摘要本次课程设计是基于 VHDL 的 PWM 信号发生器,PWM 信号发生器应用所学的数字电路和模拟电路的知识进行设计。在设计过程中，所有电路仿真均基于 Quartus II 9.1 仿真软件。本课程设计介绍了PWM 信号发生器的设计方案及其基本原理，并着重介绍了 PWM 信号发生器各单元电路的设计思路，原理及仿真，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。设计共有三大组成部分：一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的理论实现，是关键部分；二是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。三是是对本次课程设计的总结。关键词：关键词： PWM 信号发生器 仿真 设计目录第 1 章 绪论1.1 EDA 和 Quartus的简介及起源11.2 EDA 的优势及发展趋势1第 2 章 系统设计思路3第 3 章 可自加载加法计数器的设计4第 4 章 信号发生器设计过程6第 5 章 软件仿真5.1 Quartus 软件简介85.2 用 Quartus 的仿真步骤和图像95.3 逻辑综合结果12第 6 章 设计总结13第 7 章 参考文献15附 录 设计程序 16 1第 1 章 绪论1.1 EDA 和 Quartus的简介及起源EDA 是英文“electronic design automation”(电子自动化设计)的缩写，EDA 技术是 20 世纪 90 年代迅速发展起来的，是现代电子设计的最新技术潮流，是综合现代电子技术和计算机技术的最新研究成果，是电子线路设计与分析的一门技术。EDA 包括电子线路的设计、计算机模拟仿真和电路分析及印制电路板的自动化设计三个方面的内容。随着可编程逻辑器件迅速发展，出现了功能强大的全新的 EDA 工具。具有较强描述能力的硬件描述语言(VHDL、Verilog、HDL)及高性能综合工具的使用，使过去单功能电子产品开发转向系统级电子产品开发。Quartus是 Altera 提供的 FPGA/CPLD 开发集成环境，Altera 是世界上最大的可编程逻辑器件供应商之一。Quartus是在 21 世纪初推出，是 Altera 前一代 FPGA/CPLD 集成开发环境 MAX+plus 的更新换代产品，其界面友好，使用环境便捷。它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。Quartus设计工具完全支持 VHDL、Verilog 的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verlog 逻辑综合器。Quartus包括模块化的编译器。编译器包括 的功能模块有分析/综合器（Analysis USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY LCNT8 ISPORT (CLK, LD: IN STD_LOGIC;D: IN INTEGER RANGE 0 TO 255;DOVE: OUT STD_LOGIC);END LCNT8;ARCHITECTURE ART OF LCNT8 ISSIGNAL COUNT: INTEGER RANGE 0 TO 255;BEGINPROCESS (CLK) ISBEGINIF CLKEVENT AND CLK=1 THENIF LD=1 THEN COUNTCLK, LD=LD1, D=A, DOVE=DOVE1);U2: LCNT8 PORT MAP (CLK=CLK, LD=LD2, D=B, DOVE=DOVE2);PROCESS (DOVE1, DOVE2) ISBEGINIF DOVE1=1 THEN SPWM=0;ELSIF DOVE2EVENT AND DOVE2=1 THEN SPWM=1;END IF;END PROCESS;LD1=NOT SPWM; LD2=SPWM; YPWM=SPWM;END ARCHITECTURE ART;8第 5 章 软件仿真5.1 Quartus 软件简介Quartus 软件是美国 Altera 公司为 SOPC（System on a Programmable Chip，系统级可编程芯片）提供最全面的设计平台。比起其他的编译软件，它具有以下的优点：1】1】开放的界面开放的界面Quartus 软件可与其他 EDA 厂家的设计输入、综合、验证工具相连接。设计人员可使用 Quartus 编译器（Compiler）对 ALTERA 的器件进行编译，然后使用 ALTERA 或其他标准 EDA 验证工具进行验证。目前，Quartus 支持Cadence、Exemplarlogic、Mentor Graphics、Synopsys、Synplicity、Viewlogic 等公司的 EDA 工具接口。2】与结构无关与结构无关Quartus 系统的核心编译器（Compiler）支持 ALTERA 公司的FLEX10K，FLEX8000，FLEX6000，MAX9000，MAX7000，MAX5000 和Classic 等可编程逻辑器件系列，处理 Maxplus以外唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。Quartus 的编译器还提供了强大的逻辑综合与优化功能，使设计人员能比较容易地将其设计集成到可编程逻辑器件中。3】多平台多平台Quartus 软件可在多种 PC 机和工作站的操作系统中运行。4】完全集成化完全集成化Quartus 的设计输入、处理、验证、器件编程等功能全部集成在统一的开发环境下，可以使用户进行动态调试，加快开发进程。5】丰富的设计库丰富的设计库Quartus 提供丰富的库单元供设计者使用，其中包括 74 系列的全部器件和多种特殊的逻辑宏功能（MacroFunction）以及新型的参数化兆功能9（MegaFunction） 。6】接受高级描述语言接受高级描述语言Quartus 接受多种硬件描述语言，包括 VHDL、AHDL、C、C+等语言。7】良好的人机界面良好的人机界面Quartus 具有比 Maxplus更加人性化的人机界面，方便工程人员的操作，基于上述特点，本文采用 Quartus 软件对 DDS 频率合成器仿真验证。5.2 用 Quartus 的仿真步骤和图像主要步骤：主要步骤：第一步：建立工程图四 建立工程图第二步：建立 VHDL 文件10图五 建立 VHDL 文件图第三步：写入 VHDL 文件图六 部分 VHDL 文件截图第四步：建立模块文件图七 建立模块文件图11第五步：连接各模块形成总体原理图图八 模块总体结构逻辑图第六步：编译做好的文件图九 编译成功图第七步：建立波形文件S12图十 建立波形文件图第八步：仿真输入取 s，y。仿真波形，如下图：图十一 PWM 的时序仿真结果5.3 逻辑综合结果图十二 逻辑综合结果图13第 6 章 设计总结在传统的数字电子系统或 IC 设计中，手工设计占了较大的比例。一般都是先按电子系统的具体功能要求进行功能划分，然后对每个子模块画出真值表，用卡诺图进行手工逻辑简化，写出布尔表达式，画出相应的逻辑线路图，再据此选择元器件，设计电路板，最后进行实测与调试。显然，手工设计的缺点让人越来越不可接受。故而，EDA 技术变得越来越重要，作为当代大学生，要与时俱进，更要掌握这种电子自动化设计。通过 EDA 的模拟编译、适配、仿真，可以大大缩短设计周期，降低设计成本。EDA 仿真测试技术只需通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，在完成实际系统的安装后，还能对系统的目标器件进行所谓边界扫描测试、嵌入式逻辑分析仪的应用，这一切都极大地提高了大规模系统电子设计的自动化程度。通过对本设计基于 VHDL 的 PWM 信号发生器的设计的学习和研究，让我对硬件系统有了更深入的理解，扩展了很多的知识。做这个设计包含了很多的知识和内容，如 EDA、FPGA、VHDL、Quartus 、Word、等知识，让我受益匪浅。在做这个之前，坦白说对于 EDA 真的没有深入地学习研究，对于 Quartus 软件也是完全不懂。老师开学就说了要做这个设计，我也没有放在心上，一14直到期末才重视起来，各种知识的补充学习，最后就是一团乱麻，什么也没弄好。后面在班上同学的指导下，才开始安装 Quartus 软件，然后再去翻阅书籍，百度百科，咨询同学，一点一点地去摸索这个软件是怎么运用的，最主要是上面全是英文，对于英语非常差的我来说，彻底熟悉这个软件就用了很长后一段时间。后面开始想要把书上的程序改编一下，虽然不是很懂，但是后来我实在不知道怎么去改了，就只是改变了一下输入输出和其他的一些代号而已。程序解决了就开始编译执行，结果就卡在这儿弄不了啦，因为错误实在太多，最让我疑惑的是，明明就是书上的程序改变了一下名字而已，为什么会有那么多错误呢？后面仔仔细细地去检查了一下，才发现，都是粗心惹的祸，其实，编程也是要耐心和细心的。最后终于编译仿真出波形来，除了输入输出代号被改变了，波形和书上是一样的。在做论文的时候，也遇到很多问题，首先就是资料太少啦，只有一些仿真过程图，程序。对于原理基本不是很懂，还有 VHDL 语言、Quartus 等都不了解，真正是书到用时方恨少。然后又是各种查资料，百度，咨询同学来学习了解。这也让我深刻的体会到实践和理论的差距，更何况我自己之前还没有努力去学习，实践就更是寸步难行。至于课设报告中涉及到的 WORD 排版知识，随着一次次练习，一点点积累，现在可以说是得心应手。至少在排版时不会遇到障碍。总之本次课设，让我熟悉了 Quartus、WORD 两个常用软件，也复习了一遍 VHDL 语言的相关知识，又熟悉了一遍用 VHDL 语言进行编程的过程。但是就我本次实践练习来说，我看到了自己在这方面的劣势，虽然已经决定以后不从事这方面的工作，但是作为本专业的学生，为了不愧对我的大学生活，以后，我会努力的去学习，扩充我的专业知识。在此，感谢那些热情帮助指导我的同学们，谢谢。15第 7 章 参考文献1潘松，黄继业. EDA 技术与 VHDL （第 2 版）.北京:清华大学出版社,2007.2孟庆辉，刘辉，程继航，石静苑. EDA 技术实用教程.北京:国防工业出版社,2008.3刘江海. EDA 技术.武汉:华中科技大学出版社,2009.4杨跃. FPGA 应用开发实战技巧精粹.北京:人民邮电出版社,2009.5王辉，殷颖，陈婷，俞一鸣等. X+plus II 和 Quartus II 应用与开发技巧.北京:机械工业出版社,2007. 6 谭会生、张昌凡编著， EDA 技