设计一个信号发生器。
（1）信号发生器由波形选择开关控制波形的输出，能输出正弦波、方波和三角波三种波形。
（2）波形的周期为2秒（由50M有源晶振分频控制）。考虑程序的容量,每种波形在一个周期内均取16个取样点,每个样点数据是8位(数值范围:00000000~11111111)。。
（3）将8位二进制波形数据（以十进制方式）输出到数码管动态演示出来。
该回答引用ChatGPT
以下是基于VHDL语言在Quartus II软件上实现信号发生器的设计和仿真的步骤：
1、打开Quartus II软件并创建一个新项目。
2、在新项目向导中，选择适当的目标设备并添加一个新的VHDL文件。
3、在新文件中定义一个实体，包括三个输出端口和一个时钟输入端口。输出端口包括波形选择开关和一个用于输出波形数据的8位总线。时钟输入端口用于接收来自50M有源晶振的时钟信号。
4、定义三个不同的波形类型：正弦波、方波和三角波，并在实体中添加一个过程，以根据波形选择开关的值选择要输出的波形类型。
5、对于每种波形类型，生成一个长度为16的样本序列，并将其存储在一个数组中。在过程中，使用一个计数器变量来跟踪当前输出的样本。
6、将每个样本值从二进制转换为十进制，并将其输出到8位总线上。
7、将8位总线连接到数码管模块，并将模块添加到实体中。使用VHDL代码控制数码管的显示，并确保显示值与8位总线上的值匹配。
8、编译和仿真设计，检查波形输出和数码管显示是否正确。
以下是一个基于VHDL的信号发生器设计代码的：
entity signal_generator is
port (
waveform_switch : in std_logic_vector(2 downto 0);
clk : in std_logic;
waveform_data : out std_logic_vector(7 downto 0);
display_data : out std_logic_vector(3 downto 0)
);
end entity;
architecture Behavioral of signal_generator is
-- 50M有源晶振分频控制，波形周期为2秒
constant PERIOD : integer := 100000000;
constant FREQ_1HZ : integer := 50000000;
-- 正弦波样本
signal sinewave_samples : std_logic_vector(7 downto 0) := (128, 173, 208, 231, 240, 235, 217, 187, 150, 109, 68, 32, 9, 0, 5, 27);
-- 方波样本
signal squarewave_samples : std_logic_vector(7 downto 0) := (255, 0, 255, 0, 255, 0, 255, 0, 255, 0, 255, 0, 255, 0, 255, 0);
-- 三角波样本
signal triangle_samples : std_logic_vector(7 downto 0) := (0, 32, 64, 96, 128, 160, 192, 224, 192, 160, 128, 96, 64, 32, 0, 255);
signal sample_counter : integer range 0 to 15 := 0;
signal time_counter : integer range 0 to PERIOD - 1 := 0;
signal phase_increment : integer;
signal phase_accumulator : integer range 0 to PERIOD - 1 := 0;
begin
-- 计算相位增量
phase_increment <= FREQ_1HZ * 16 / PERIOD;
process (clk)
begin
if rising_edge(clk) then
time_counter <= time_counter + 1;
if time_counter = PERIOD - 1 then
time_counter <= 0;
end if;
-- 根据波形类型输出波形数据
case waveform_switch is
when "000" =>
waveform_data <= sinewave_samples(sample_counter);
when "001" =>
waveform_data <= squarewave_samples(sample_counter);
when "010" =>
waveform_data <= triangle_samples(sample_counter);
when others =>
waveform_data <= "00000000";
end case;
-- 更新样本计数器
sample_counter <= sample_counter + 1;
if sample_counter = 16 then
sample_counter <= 0;
end if;
-- 更新相位累加器
phase_accumulator <= phase_accumulator + phase_increment;
if phase_accumulator >= PERIOD then
phase_accumulator <= phase_accumulator - PERIOD;
end if;
-- 将相位累加器的值转换为十进制数，并输出到数码管
display_data <= std_logic_vector(to_unsigned(phase_accumulator * 256 / PERIOD, 4));
end if;
end process;
end architecture;
参考GPT和自己的思路：以下是一个基于VHDL语言实现的信号发生器设计代码：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
entity signal_generator is
Port ( clk : in STD_LOGIC;
sw : in STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0);
hex : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));
end signal_generator;
architecture Behavioral of signal_generator is
signal counter : unsigned(3 downto 0) := "0000";
signal sample_counter : unsigned(3 downto 0) := "0000";
signal sin_wave : std_logic_vector(7 downto 0) := "00000000";
signal square_wave : std_logic_vector(7 downto 0) := "00000000";
signal triangle_wave : std_logic_vector(7 downto 0) := "00000000";
constant sin_data : std_logic_vector(15 downto 0) := "0000000010010011"; -- 16 samples of sin wave
constant square_data : std_logic_vector(15 downto 0) := "0000000000001111"; -- 16 samples of square wave
constant triangle_data : std_logic_vector(15 downto 0) := "0000000001001111"; -- 16 samples of triangle wave
begin
process(clk)
begin
if rising_edge(clk) then
counter <= counter + 1;
if counter = "1001" then -- 2s period
counter <= "0000";
case sw is
when "000" => -- sin wave
sin_wave <= sin_data(to_integer(unsigned(sample_counter)));
square_wave <= "00000000";
triangle_wave <= "00000000";
when "001" => -- square wave
sin_wave <= "00000000";
square_wave <= square_data(to_integer(unsigned(sample_counter)));
triangle_wave <= "00000000";
when "010" => -- triangle wave
sin_wave <= "00000000";
square_wave <= "00000000";
triangle_wave <= triangle_data(to_integer(unsigned(sample_counter)));
when others => -- default to sin wave
sin_wave <= sin_data(to_integer(unsigned(sample_counter)));
square_wave <= "00000000";
triangle_wave <= "00000000";
end case;
sample_counter <= sample_counter + 1;
if sample_counter = "1000" then -- 16 samples
sample_counter <= "0000";
end if;
end if;
end if;
end process;
-- output to 7-segment display
process(clk)
begin
if rising_edge(clk) then
case sw is
when "000" =>
hex <= sin_wave;
when "001" =>
hex <= square_wave;
when "010" =>
hex <= triangle_wave;
when others =>
hex <= sin_wave;
end case;
end if;
end process;
end Behavioral;
在这个代码中，我们定义了一个signal_generator实体，包含了一个时钟输入clk、一个波形选择开关输入sw和一个8位二进制波形数据输出hex。
为了实现信号发生器的功能，我们需要做以下几个步骤：
1、确定波形的周期和取样点数：题目中已经给出了波形周期为2秒，每种波形取样点数为16个。
2、实现波形数据生成：根据波形的周期和取样点数，我们可以计算出每个取样点的时间间隔，然后利用三角函数等计算方法生成正弦波和三角波，以及分段函数生成方波。
3、实现波形输出：我们需要使用一个开关来控制输出的波形类型，根据不同的波形类型输出对应的波形数据。
4、实现数码管动态演示：将输出的8位二进制波形数据转换为十进制数值，并使用数码管动态演示出来。
下面是一个基于VHDL语言实现信号发生器的代码框架，可以根据具体需要进行修改和调整：
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity signal_generator is
Port ( clk : in STD_LOGIC;
waveform_switch : in STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0);
digit_out : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));
end signal_generator;
architecture Behavioral of signal_generator is
signal sample_cnt : integer range 0 to 15 := 0;
signal sine_data : std_logic_vector(7 downto 0);
signal square_data : std_logic_vector(7 downto 0);
signal triangle_data : std_logic_vector(7 downto 0);
signal waveform_data : std_logic_vector(7 downto 0);
signal digit_cnt : integer range 0 to 7 := 0;
begin
-- 波形数据生成
process(clk)
variable sample_time : real := 0.0;
begin
if rising_edge(clk) then
sample_time := sample_time + 0.125; -- 2秒周期，16个取样点
if sample_time >= 2.0 then
sample_time := sample_time - 2.0;
end if;
-- 正弦波
sine_data <= std_logic_vector(to_unsigned(round(127.5 + 127.5 * sin(2.0 * 3.14159 * sample_time)), 8));
-- 方波
if sample_time < 1.0 then
square_data <= "11111111";
else
square_data <= "00000000";
end if;
-- 三角波
if sample_time < 1.0 then
triangle_data <= std_logic_vector(to_unsigned(round(255.0 * sample_time), 8));
else
triangle_data <= std_logic_vector(to_unsigned(round(255.0 * (2.0 - sample_time)), 8));
end if;
end if;
end process;
-- 波形输出和数码管动态演示
process(clk)
begin
if rising_edge(clk) then
-- 波形切换
case waveform_switch is
when "000" =>
waveform_data <= sine_data;
when "001" =>
waveform_data <= square_data;
when "010" =>
waveform_data <= triangle_data;
when others =>
waveform_data <= "00000000";
end case;
-- 数码管动态演示
digit_out <= std_logic_vector(to_unsigned((waveform_data(digit_cnt*8+7 downto digit_cnt*8)), 8));
digit_cnt <= digit_cnt + 1;
if digit_cnt >= 7 then
digit_cnt <= 0;
end if;
-- 取样点计数
sample_cnt <= sample_cnt + 1;
if sample_cnt >= 15 then
sample_cnt <= 0;
end if;
end if;
end process;
end Behavioral;
在上述代码中，使用了两个process分别实现了波形数据生成和波形输出及数码管动态演示功能。首先在数据生成的process中，根据三角函数等方法生成了正弦波、方波和三角波的数据，并分别存储在sine_data、square_data和triangle_data信号中。然后在波形输出及数码管动态演示的process中，根据波形切换开关的值选择输出对应的波形数据，然后将波形数据转换为十进制数值，并使用数码管动态演示出来。
需要注意的是，在实际的FPGA中，需要将波形数据通过DAC芯片等模块输出到外部设备中进行测量或控制，而在本题中由于要求数据量比较小，直接使用了数码管进行动态演示。此外，本题还需要根据具体的FPGA硬件平台进行修改和适配，比如时钟频率、IO口定义等。
以下答案由GPT-3.5大模型与博主波罗歌共同编写：
下面是基于VHDL语言实现信号发生器的代码：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;
entity signal_generator is
port (
clk_50M : in std_logic;
rst_n : in std_logic;
sw : in std_logic_vector(1 downto 0);
seg_out : out std_logic_vector(7 downto 0)
);
end entity signal_generator;
architecture rtl of signal_generator is
constant PERIOD : integer := 100000000; -- 2 seconds @ 50 MHz
constant SAMPLES: integer := 16;
signal count : integer range 0 to PERIOD-1;
signal sample : integer range 0 to SAMPLES-1;
signal data : std_logic_vector(7 downto 0);
signal sin_val : integer range 0 to 255 := 128;
signal tri_pos : integer range 0 to 255 := 0;
signal tri_dir : std_logic := '0';
begin
process(clk_50M)
begin
if rst_n = '0' then
count <= 0;
sample <= 0;
sin_val <= 128;
tri_pos <= 0;
tri_dir <= '0';
elsif rising_edge(clk_50M) then
count <= count + 1;
if count = PERIOD-1 then
count <= 0;
sample <= sample + 1;
case sw is
when "00" => -- sine wave
sin_val <= sin_val + 1;
if sin_val = 256 then
sin_val <= 0;
end if;
data <= std_logic_vector(to_unsigned(sin_val, 8));
when "01" => -- square wave
data <= std_logic_vector(to_unsigned(127, 8));
if sample = SAMPLES-1 then
data <= std_logic_vector(to_unsigned(255, 8));
end if;
when "10" => -- triangle wave
if tri_dir = '0' then
tri_pos <= tri_pos + 1;
if tri_pos = 256 then
tri_pos <= 254;
tri_dir <= '1';
end if;
else
tri_pos <= tri_pos - 1;
if tri_pos = -1 then
tri_pos <= 1;
tri_dir <= '0';
end if;
end if;
data <= std_logic_vector(to_unsigned(tri_pos, 8));
when others => null;
end case;
end if;
end if;
end process;
-- Multiplexor for driving the displayed number on the seven-segment display
seg_mux : entity work.seven_segment_mux
port map (
clk => clk_50M,
anode => open, -- not used
seg_out => seg_out,
data_in => data,
addr => sample
);
end architecture rtl;
这里的信号发生器是仅由VHDL语言实现的，不涉及FPGA硬件资源的配置和绑定。您需要使用Quartus II软件创建一个新的工程，并将以上代码作为顶层设计源文件引入工程中。然后进行RTL级别的仿真，生成波形文件，以验证设计的正确性和功能实现。
如果我的回答解决了您的问题，请采纳！