实验题目：基于 FPGA 的简易正弦信号发生器原型设计

1. 课程简要信息

课程名称：FPGA技术
课程学时： 24（理论） $+ 2 4$ （实验）
项目学时：课内4 学时
适用专业：电子信息工程、自动化、通信工程、生物医学工程、物联网工程等
学生年级：三年级上（或下）学期

2. 实验内容与任务

设计目标：

围绕本次实验教学的核心目标“信号发生器基本原理与DAC器件使用”，本次实验仅要求基于数字化实现方法设计一款简易的正弦信号发生器原型装置，相关技术参数要求描述如下：

（1）输出信号频率固定，如为 5MHz（学生可根据自己设计情况调整该参数）；
（2）输出信号幅度不做明确要求，峰-峰值满 DAC器件最大位宽即可。

测试方法：

基于课程提供的 FPGA 开发环境和硬件实验平台，完成简易的正弦信号发生器原型装置设计与开发，并通过 FPGA 开发在线调试工具 ILA 进行 FPGA 内部信号的观察与分析，利用示波器对简易正弦信号发生器原型装置进行功能和性能测试，验证设计的正确性。测试验证系统结构如图 2所示：

图 1 测试示意图

3. 实验过程及要求

（1）正弦信号发生器的用途及应用场景分析

认真阅读“实验内容与任务”，结合生活应用实际，分析信号发生器的功能及应用场景，理解实验任务要求的功能性能指标实际物理意义。

（2）正弦信号发生器数字化实现的机理分析

通过阅读实验原理与方案、查阅相关资料，分析信号发生器的基本实现原理，并给出系统结构框图。

（3）总体成方案与关键技术分析

基于系统功能框图，采用自顶向下的模块化方法，结合实验开发板资源，完成系统总体方案设计，及其关键技术分析。

（4）详细设计与仿真测试

完成各功能单元模块的设计，并通过构建仿真测试源，进行设计代码的功能级仿真分析，验证其正确性。

（5）系统集成与板载性能测试

将配置文件下载到 FPGA 芯片，依据设计功能指标要求，搭建测试系统，进行系统实物测试。

（6）实验报告撰写

根据以上实验内容撰写实验报告，并回答思考题。

4. 相关知识及背景

（1）FPGA 基本开发流程、仿真分析与板载验证方法（见教材及实验 1、实验 2）；

（2）从应用实际出发思考工程系统实现的设计思维，主要包含以下几个工作阶段：

理解设计产品的用途及应用场景；
理解设计产品的功能性能指标；
分析设计产品的实现机理；
完成总体方案设计；
依据总体方案，完成各单元模块设计与性能测试（仿真或实测）；
系统集成与性能测试。

（3）开发板资源及使用说明（见开发板手册）；

（4）设计报告撰写准则：同学能读明白，并理解为什么要这么做，在此基础上可按照你的报告做出设计。

5. 实验环境条件

6. 教学目标与目的

本实验项目以“简易的正弦信号发生器原型装置”这一生活中“极为神秘又常见”、学生容易理解的电子设备为例，旨在达到以下教学目标：

（1）理解电子系统开发流程；
（2）熟悉实验所需软硬件平台的使用，掌握 FPGA开发流程；
（3）掌握基于可编程器件的正弦信号发生器设计方法；
（4）以AD9767使用为例，掌握DAC器件的使用；
（5）熟悉电子设备技术参数测量方法。

7. 教学设计与实施进程

本实验项目以“正弦信号发生器”这一生活中“极为神秘又常见”、学生容易理解的电子设备为例，进行基于 FPGA 的数字系统系统设计能力训练，主要包括任务下发、任务分析与答疑等五个教学环节，详细描述如下：

（1）下发实验任务、布置预习要求

在实验课开始前一周，下发实验任务，学生分组，5 人一个学习小组。

按照实验指导书要求，完成实验过程（1）～（3）等前三个环节，并对照撰写电子版实验报告的前三部分内容。

★特别提醒：

实验原理及方案仅供同学们参考，起到点题作用，同学们可按照自己设计思路进行相关内容撰写，或参考实验原理及方案部分，进行补充完善；
报告撰写宗旨：以同学能读明白为准，也即同学通过阅读读懂你的报告，可以照着你的报告完成设计；
学有余力的同学，可以按照实验指导书要求，尽可能多的完成实验过程及要求的所有环节。

（2）实验任务分析与答疑（1 学时）

实验任务分析：针对实验任务，按照实验过程及要求，进行分析说明，引导学生理解实验任务，完善设计实现方案；

集中答疑：针对实验项目难点和同学们集中疑问点进行集中答疑；

一对一答疑：该环节要求同学们提供设计报告，根据学生报告内容，理解学生的掌握情况，进行答疑。（要求已经理解相应问题的同学，为其他同学答疑）

★特别提醒：

本节课分为实验任务分析、集中答疑和一对一答疑三个环节：要求所有同学带上设计报告；一对一答疑，需要同学提供设计报告，老师会根据学生的掌握情况进行答疑。

（3）二次答疑与第一轮板载测试（1学时）

验收测试：针对已经完成设计的同学，进行验收测试，验收重点主要包括设计思路、

仿真结果分析、板载验证效果；

二次答疑：对有疑问的同学进行答疑，同时安排完成度较好的同学给其他同学答疑。

（4）第二轮板载测试（1 学时）

进行本实验项目最后一次验收测试，验收重点同上，并对提前完成报告的同学进行设计报告辅导，对有疑问的同学进行答疑。

（5）交叉批改与报告反馈（1 学时）

交叉批改：要求在本次实验课程前一天提交实验报告，课堂上安排同学交叉批改报告（百分制），学生批改占总成绩的 $1 0 %$ ，教师批改占总成绩 $2 0 %$ ；

报告反馈：并对实验报告中存在的问题进行反馈分析与指导；

下次实验任务下发：下发下一次实验的实验内容与任务。

8. 实验原理及方案

★特别提醒：

本部分内容仅供参考，在进行实验项目设计和报告撰写时，需要同学们遵照报告撰写准则，结合实验项目任务，尽可能详尽、完善的撰写设计报告，切勿直接照抄了事。

8.1 正弦信号发生器的用途及应用场景

正弦信号是一种频率成分最为单一的常见信号源，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。其核心评价指标主要有输出信号的频率范围、幅度范围、频率分辨率、幅度分辨率、杂散等，常用的正弦信号发生器实现方法可以分为模拟实现和数字化两大类。

图 1 正弦信号发生器的典型应用示例

因使用需要，常用正弦信号发生器需要具备输出信号频率、幅度等参数可调整，并实时显示等功能，此外，为了满足不同的应用场景需求，市面上销售的正弦信号发生器还具有许多其他的复杂功能。为聚焦本实验目标，此处仅仅考虑最为简单的正弦信号发生器，也即输出频率、幅度固定的单一频率正弦信号发生器。

8.2 正弦信号发生器数字化实现的基本原理

依据采样定理可知，模拟信号可以通过模数转换器（Analog Digital Converter，ADC）采样量化为一系列离散的数字样值进行表征，也即离散样值可以表征原始模拟信号。基于此思想，可以在可编程器件（如 FPGA、单片机等）中存储一组与要表征的模拟信号完整对应的离散样值序列（如一个周期），然后通过程序控制，将存储的样值序列按固定的时间间隔 $\Delta \mathfrak { t }$ ，顺序读出送至数模转换器（Digital Analog Converter，DAC）转换输出，即可获得其对应表征的模拟信号。这便是基于数字化方式产生各类模拟信号的基本思想，其本质是一个模拟信号的采集、存储与回放过程。

如图所示，将图 a 所示的正弦信号离散化，并提取能够完整表达一个周期的 16 个样值，存储于“离散样值存储表”中；再按固定的时间间隔 $\Delta \mathfrak { t }$ 顺序读出（读完一个周期后再次从表头开始），即可获得如图 b 所示的离散正弦信号序列 s(n)；同步将 s(n)序列中的样值逐个送至 DAC 器件进行转换输出，即可获得含有高频谐波分量的台阶性正弦信号s1(t)；s1(t)信号经过低通滤波器，滤除高频分量，即可得到所需要产生的正弦信号。

图3 基于数字方式的正弦信号产生示意图

8.3 验证平台

如图所示为本课程实验的硬件平台，结合 8.2 节实现机理，在本实验项目中，在FPGA内部产生信号，并通过 DAC转换输出。详细设计由同学们自行完成，并在实验平台实物图上用特殊颜色标注。

★特别提醒：

特别注意实验套件中 DAC 芯片和 FPGA 引脚的对应关系。

图3 实验平台实物图

图 4 实验平台原理框图

9. 实验报告要求

参考实验报告模板，主要包括以下内容：

（1）实验内容与任务（同实验指导书）；
（2）实验目标与目的（同实验指导书）；
（3）实验平台（见实验平台介绍）；
（4）实验项目设计，主要包括以下内容：（参考实验指导书、网上查阅资料）

 信号发生器的用途及应用场景分析

认真阅读“实验内容与任务”，结合生活应用实际，分析信号发生器的功能及应用场景，理解实验任务要求“简易”、“原型”的含义以及其功能性能指标实际物理意义。

$\mid$ 信号发生器实现机理分析

通过阅读实验原理与方案、查阅相关资料，分析信号发生器的基本实现原理，并给出系统功能框图。

总体方案设计

基于系统功能框图，采用自顶向下的方法，结合实验开发板资源，完成系统总体方案设计。

详细设计与仿真测试

完成各功能单元模块的设计，并通过构建仿真测试源，进行设计代码的功能级仿真分析，验证其正确性。

系统集成与板载性能测试

将配置文件下载到 FPGA芯片，依据设计功能指标要求，进行系统实物测试。

（5）思考题回答

★特别提醒：

（1）最好用office进行报告撰写与排版；画图最好用 visio，如为图片，可复制到 visio中再从 visio 中粘贴至 word；
（2）善用文档结构图，所有标题都要有大纲级别，图、表、公式均需要进行独立编号，详细排版格式及要求见试验报告模板；
（3）实验报告要图文并茂，关键代码要有注释，仿真波形截图要有分析，实验平台验证要有照片；
（4）实验报告撰写严格参考模板，所有文字表述以说清楚为准，说清楚的标准：没有做过该实验项目的同学，通过阅读报告，能够理解为什么要这么做，并且按照报告能完整做出该实验。

10.考核要求与方法

（1）预习情况考核 $( 2 0 % )$ ）

检查预习报告（电子版），主要检查“用途及应用场景分析”、“实现机理分析”和“总体成方案设计”三部分内容。

（2）实验项目完成情况考核（ $( 5 0 % )$ ）

实验质量：VIVADO 工程的正确建立；正确输入代码，完成综合，功能仿真；锁定引脚，布局布线，下载，完成硬件测试；是否完成实验的扩展部分；在整个实验中，注意考核学生对设计流程的熟悉，独立解决设计问题的能力，思路的清晰。

（3）实验报告考核 $( 3 0 % )$ ）

实验报告要求层次清晰，格式规范，内容完整。

★小组特别贡献奖励（满分 10 分）：

计算方法：5 人一个学习组，本次实验成绩不低于 80 分人数及对应分数为：5 人得10 分，4 人得 8 分，3 人 6 分，2 人得 3 分；

分配方法：组长可将小组所得分数分配给包括自己在内的组内 2 名实验成绩不低于80分得同学（总分超过 100分，则按100分计算）；

11.项目特色或创新

（1）以“信号发生器”这一生活中“极为神秘又常见”、易理解的电子设备为例，从应用实际出发展开设计工作，训练学生的工程系统设计思维，力争突破应用需求与专业理论的鸿沟；

（2）明确、分步骤的实验任务环节，有效的训练了学生工程设计习惯与设计报告撰写能力；

（3）同学之间互相答疑、交叉批改报告，既能提升批阅人的水平，又能变相督促学

生写好报告（学教相长）；

（4）报告撰写与文献利用指路，培养学生严谨的学习做事、学习习惯；

（5）鼓励合作，教学相长。