正弦波在许多领域有着广泛的应用。理论上由搭建的模拟电路生 成的正弦波可以做到非常理想，但是在实际的应用中由于电路元件的 老化、温漂、和设备升级的不便等因素，使其在应用中可能会出现不 稳定等各种各样的缺陷。随着数字电路集成度的不断提高，数字化的 正弦波正在越来越多的取代传统的模拟正弦波。通常生成数字化正弦波，可以采用A/D转换和查表的方法，其 基本原理都是建立在对时间的等分上。本文提出了一种新方法即对幅 值等分，基于ALTERA公司提供的Cyclone II芯片作为核心器件进行 设计，来实时生成完美数字化正弦调制波，并对该方法进行了的误差 分析，最终给出了基于FPGA的实现方案。仿真结果表明了这种新方法可以获得完美的数字化正弦调制波。关键词：幅值等分，FPGA, VHDL,模块化设计ABSTRACTSinusoidal wave has broad application in many areas. Theoretically generated by the erection of the sinusoidal wave circuit simulation can do very good, but in practical applications due to the aging circuit components, and equipment upgrades inconvenience and other factors that may arise in the application of its instability, a variety of errors. With integrated digital circuits for continual increase in the digital sine wave is increasingly replacing traditional analog sinusoidal wave.Usually generated digital sine wave, and can be used A/D Zhabiao conversion method, the basic principles are based on the length of time. This article presents a new approach that is worth equal to that provided for ALTERA company Cyclone II chips as a core device design to real-time generation record perfect digital sine wave, and the methods of error analysis, based on FPGA given the ultimate realization of the programme.Simulation results show that the new method can perfactly record digital sine wave.KEY WORDS: worth republic, FPGA, VHDL, Module-designing.摘要1ABSTRACT2目录3第一章前言51.1逆变技术概述51.2 数字化正弦波的概述51.3论文的意义及主要研究内容6第二章EDA概述72.1FPGA技术概述72.2 Quartus II 概述72.3 VHDL 概述92.4模块化设计概述102.5 Cyclone II 简介112.6配置芯片简介122.7 MATLAB技术概述13第三章 基于FPGA的完美正弦波发生器143.1引言及设计背景143.2设计原理143.3误斧分析163.4模块化设计原理183.4.1设计概述183.4.2地址计数器单元203.4.3 ROM 模块213.4.4数据处理单元223.4.5正弦波频率处理单元223.4.6带有累加器功能的定时单元233.4.7模块整合及仿真研究243.5本章小节25第四章结论与总结26致谢信27参考文献28附录29第一章前言1. 1逆变技术概述电力电子变流电路的基本转换形式有四种。其中将直流电变换成交流电的变 换称之为DC/AC变换，也即通常所说的逆变。它是电力电子技术领域中最为活 跃的部分之一。逆变器就是通过半导体功率开关器件（如SCR、GTO、GTR、IGBT 或功率MOSFET等）的开通和关断作用，实现逆变的电能转换装置八a。常用逆变器基本形式有以下几种分类方法：按相数可分为单相逆变器和三相 逆变器；按照直流侧电源性质可分为电压型逆变器和电流型逆变器；按输出波形 可分为非正弦波逆变器和正弦波逆变器;按输出能量的去向可分为有源逆变和无 源逆变；按逆变器主电路的形式，可以分为单端式、推挽式、半桥式和全桥逆变 器；按控制方式，可分为调频式（PFM）逆变和调脉宽式（PWM）逆变。1964年，由A.Schonong和H.Stemmier提出的、把通信系统调制技术应用到 逆变技术中的正弦波脉宽调制技术（Sinusoida-PWM,简称SPWM）。模拟电路 本身具有难以克服的各种缺点，导致其在低载频逆变器中的应用很少，数字电路 固有的稳定可靠无漂移等优点，且实现方便灵活，便于实现各种特殊功能，因此， 其应用最为广泛。作为生成SPWM波形的调制正弦波，对其生成精度至关重要。而调制正弦波是 要以数字化形式与三角载波进行比较得到SPWM波形，故如何得到高精度的调制 波成为了研究的重点。1.2数字化正弦波的概述数字化的正弦波有着越来越广泛的应用，例如正弦波振荡器，正弦波逆变 器等。在电力电子方面将其作为调制波，将其与三角载波进行比较来获得SPWM 波形。生成数字化正弦波的实现方法现在有很多种，常见的有基于单片机，采用A/D转换，基于DSP和基于FPGA等几种方法。1.3论文的意义及主要研究内容本文提出了运用对正弦波幅值的等分，来确定每个等分点所对应的时间点， 从而在每个相应的时间点上累加数字量的等分值，从而实时生成一种完美的数字 化正弦信号。论文讲述了新方法的实现原理和具体步骤，并且对该方法的进行了 必要的误差分析。仿真与实验的结果证明该方法的有效性，为以后的正弦波的应 用奠定了必要基础，整个系统均采用模块化设计，容易对各个模块进行检验。以下是本文研究的主要内容及安排：第二章主要介绍了次方法用到软硬件相关知识的介绍.第三章主要介绍了基于等分幅值方法产生数字化的正弦波的基本原理，并 分析了这种方法产生的误差来源。在具体的设计中给出了各个步骤的做法及实 现结果和仿真。第四章结论与总结第二章EDA概述2. 1 FPGA技术概述现场可编程门阵列（FPGA, Field Programmable Gate Array ）的出现是超大 规模集成电路（VLSI）技术和计算机辅助设计（CAD）技术发展的结果。FPGA 器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。使用FPGA 器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。更重要的是采用FPGA器 件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠 性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改。FPGA器件成为研制开发的理想 器件，特别适合于产品的样机开发和小批量生产，因此有时人们也把FPGA称 为可编程的ASIC （专用集成电路设计）。DSP从根本上讲是适合串行算法的，多处理器系统是很昂贵的，而且只适合 粗粒度的并行运算；FPGA可以在片内实现细粒度，高度并行的运算结构,但是用 它实现串行算法很不值得。而单片机的采样频率是比较低的，大多在兆Hz以下，而且随着频率的提高 价格也变的极其昂贵，而FPGA的系统时钟频率在兆Hz以上，而且价格也比较 便宜。近年来，随着FPGA技术的发展与成熟，各大FPGA厂商不断采用新技术 来提高FPGA器件的容量，增强软件的功能，不断推出低价位的FPGA。如今， FPGA器件广泛应用于通信、自动控制等诸多领域。2. 2 Quartus I I 概述ALTERA公司的第四代可编程逻辑器件开发软件Quartus II提供了一个完整 高效的设计环境，非常容易适应具体的设计需求。同时Quartus II开发软件提供 了多操作系统版本，可以提供易用的设计输入、快速的编译和直接易懂的器件编 程。Quartus II设计软件通过PowerFit适配技术和LogicLock增强技术提高了设 计的效率，支持百万门级的设计，并且为第三方工具提供了无缝接口。Quartus II软件提供了图形化的用户接口，并且提供了包含图解的在线帮助 系统。Quartus II系统包含有一个集成设计环境，包括从设计输入开始到器件编 程的每一步。设计者可以在层次化的项目管理中组合各种不同类型的设计文件，可以为每 一个功能模块选择最佳的设计输入方式。设计者可以首先使用Block Editor来生 成框图，而生成的这些框图可以在设计的顶层来描述系统结构，然后使用其他的 框图、原理图、AHDL设计文件(.tdf)、EDIF输入文件(.edf)、VHDL设计 文件(.vhd)和Verilog HDL设计文件(.v)来生成底层的设计元件。架构独立 的设计输入使得设计者在设计逻辑结构的时候不需要担心目标器件的实现问题。Quartus II软件的高级用户接口使得设计者可以同时处理多个文件，譬如编 辑多个设计文件在它们之间传递信息的同时可以连续地编译或者仿真另外一个 设计项目。当打开一个设计文件的同时，Quartus II软件自动地打开相应的编辑 器。Quartus II软件的编辑器是系统的核心部位，提供功能强大的设计处理，设 计者可以添加特定的约束条件提高硅片的利用率。自动的错误定位和完备的错误 和警告信息文档使得设计修改变得简单。在设计流程的每一步，Quartus II软件 使得设计者可以将注意点放在设计上，而不是如何使用软件。可编程逻辑的设计 一般可以按照图2-1所示的步骤进行。 设计输入图2-1可编程逻辑的设计步骤Quartus II软件功能的集成大大提高了设计的效率和速度，使设计者可以 完全掌握并控制设计的环境。图2-2即为Quartus II软件的图形用户界面。其 中包括资源管理窗、信息显示窗和工程工作区。图2-2 Quartus II软件图形用户界面2. 3 VHDL 概述VHDL 硬件描述语言(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)和Verilog-HDL语言是目前国内外应用最为广泛的硬件描 述语言，其他的还有AHDL等硬件描述语言。VHDL语言可描述一个数字电路的输入、输出以及相互间的行为与功能。而其硬件关联的语法与形式虽类似于一般程序语言,但是涵盖许多与硬件相关联 的语法构造。其特有的层次性一由上而下的结构式语法结构适合大型项目的团队 合作。在主要的系统结构、组件及相互间的连接方式以后，就能将工作分包下去， 各自独立进行。应用VHDL设计硬件系统具有如下一些特点：a. 与其它的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决 定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体 的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。b. VHDL有丰富的仿真语句和库函数，使得在任