南京理工大学电子线路课程设计.doc

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电子线路课程设计

姜萍

指导者：

评阅者：

2011年11月

摘要

本次实验利用QuartusII7.0软件并采用DDS技术、FPGA芯片和D／A转换器，设计了一个直接数字频率信号合成器，具有频率控制、相位控制、测频、显示多种波形等功能。

并利用QuartusII7.0软件对电路进行了详细的仿真，同时通过SMARTSOPC实验箱和示波器对电路的实验结果进行验证。

报告分析了整个电路的工作原理，还分别说明了设计各子模块的方案和编辑、以及仿真的过程。

并且介绍了如何将各子模块联系起来，合并为总电路。

最后对实验过程中产生的问题提出自己的解决方法。

并叙述了本次实验的实验感受与收获。

关键词：

QuartusII7.0数字频率信号合成器频率控制相位控制测频示波器SMARTSOPC实验箱

Abstract

ThisexperientintroducesusingQuartusII7.0software,DDStechnology，FPGAchipandD／Aconvertertodesignamulti—outputwaveformsignalgeneratorinwhichthefrequencyandphasearecontrollableandtestfrequency,displaywaveform.

ItalsomaketheuseofsoftwareQuartusII7.0adetailedcircuitsimulation,andverifythecircuitexperimentalresultsthroughSMARTSOPCexperimentboxandtheoscilloscope.

Thereportanalyzestheelectriccircuitprincipleofwork,andalsoillustratesthedesignofeachmoduleandediting,simulation,andtheprocessofusingthewaveformtotestingeachSubmodule.Meanwhile,itdescribeshowthemodulestogether,combinedforatotalcircuit.Finallytheexperimentalproblemsarisingintheprocessofpresenttheirsolutions.Anddescribestheexperienceandresultofthisexperiment.

Keywords：

QuartusII7.0multi—outputwaveformsignal-generatorfrequencycontrollablephasecontrollabletestfrequencyoscilloscopeSmartSOPCbox

目录

封面…………………………………………………………………………1

摘要……………………………………………………………………………2

Abstract………………………………………………………………………3

目录………………………………………………………………………………4

1．设计要求……………………………………………………5

2.电路工作原理………………………………………5

3.模块电路设计…………………………………………………7

3.1时钟脉冲发生模块………………………………………7

3.2频率与相位输入控制模块………………………………12

3.3累加寄存模块……………………………………………13

3.4ROM模块…………………………………………………15

3.5测频模块…………………………………………16

3.6动态显示模块……………………………………………18

3.7不同波形选择输出模块…………………………………19

4.总电路图……………………………………………………20

5.电路调试、仿真、编程下载…………………………………20

6．实验感想收获…………………………………………………………22

6.1遇到的问题与解决方案……………………………………22

6.2收获与感受……………………………………………………23

6.3期望与要求……………………………………………23

7.参考文献………………………………………………………24

1.设计要求

本实验使用DDS的方法设计一个任意频率的正弦信号发生器，要求具有频率控制、相位控制、测频、切换波形，动态显示以及使能开关等功能。

利用QuartusII7.0完成设计、仿真等工作。

并利用SmartSOPC实验箱实现电路，用示波器观察输出波形。

具体要求如下：

1、利用QuartusII软件和SmartSOPC实验箱实现DDS的设计。

2、DDS中的波形存储器模块用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片中的RAM实现，RAM结构配置成4096×10类型。

3、利用实验箱上的D/A转换器件将ROM输出的数字信号转换为模拟信号，

能够通过示波器观察到输出波形。

4、通过开关（实验箱上的Ki）输入DDS的频率和相位控制字，

并能用示波器观察加以验证。

5、通过调节开关，可以在示波器上输出多种波形（如正弦波、余弦波、三角波、锯齿波、方波等）。

（附加功能）

6、能够测量生成波形的频率并在数码管上显示。

（附加功能）

2.电路工作原理

DDS主要由相位累加器、相位调制器、正弦波数据表（ROM）、D/A转换器构成。

相位累加器由N位加法器和N位寄存器构成。

每来一个时钟信号，加法器就将频率控制字k与累加寄存器输出的累加相位数据相加，相加的结果又反馈送至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。

这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位相加。

由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。

用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址，这样就可以把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值的转换。

如果设置相位控制字P，那么把相位控制字与相位寄存器的输出相加所得的结果作为正弦查找表的地址，就可以控制改变DDS输出正弦波的初始相位。

原理图如下：

4位频率

控制字K

相位累加器

12位相位寄存器

data

[11..0]

clk

data1

data2

q[11..0]

result

[11..0]

data1

data2

result

[11..0]

q[9..0]

q[9..0]

4位相位控制字P

余弦ROM

正弦ROM

addr

[11..0]

addr

[11..0]

q[9..0]

q[9..0]

余弦波

数值输出至D/A

（1）

正弦波

数值输出至D/A

（2）

clk

clk

基准时钟fc

频率和相位均可控制的具有正弦和余弦输出的DDS

核心单元电路示意图

加法器

正弦查找表由ROM构成，内部存有一个完整周期正弦波的数字幅度信息，每个查找表的地址对应正弦波中0-360°范围内的一个相位点，查找表把输入的地址信息映射成正弦波的数字幅度信号。

然后将波形存储器的输出送到D/A转换器，由D/A转换器将数字信号转换成模拟信号输出。

而D/A输出的模拟信号经过低通滤波器,就可以得到一个频谱纯净的正弦波。

因此根据要求,我们可以将电路分为以下几个模块：

1.时钟脉冲发生电路模块：

提供电路各模块工作所需要的时钟脉冲;本次设计的电路需要将振荡源提供的48MHZ的脉冲频率分为：

1MHz,1KHz,1Hz,0.5Hz。

2.频率字与相位字输入控制模块：

控制频率控制字与相位控制字的输入大小,其中频率控制字取值从0000到1111，相位控制字的取值从000000000000到111100000000变化。

3.累加寄存模块：

实现频率控制量、相位控制量的输入以及地址码反复累加后的输出。

4.ROM模块：

预先存储了正弦波与余弦波以及三角波，锯齿波，方波等的二进制幅值且存储单元有212=4096，每个单元存储的幅值大小用10位二进制数来表示。

5.测频模块：

测试电路输出的各种信号的频率。

6.显示电路：

显示电路输出波形的频率以及频率和相位控制字。

3.模块电路设计

3.1脉冲发生电路

由于实验室提供的SmartSOPC实验系统只提供48MHz的时钟信号，而我们在这个实验中需用到1MHz,1KHz,1Hz以及0.5Hz这四个频率，因此需要对48MHz信号进行分频以得到所需的时钟信号，我们采用原理图方法进行如下电路的设计。

首先将48MHz进行48分频得到1MHz的频率。

48分频器由两片74160同步十进制计数器以置数方式实现，完成0～47计数，在计数器走到47时给置数端输入有效信号0，在下个脉冲到来时将2个计数器一起置为0。

同时将最高位输出，作为下一级分频器的时钟输入。

电路原理图如下：

波形图如下：

接着将通过48分频器信号输出的1MHZ的频率再通过1000分频器输出1KHZ的频率。

1000分频器需要三片74160，完成0~999计数，因为每片74160是模十

计数器，直接将三片级联就可以实现模1000计数，最高位输出作为下一级的时钟输入。

10分频电路原理图如下：

其波形图如下：

将三个10分频电路级联就可得到1000分频电路，电路原理图如下：

1000分频波形图如下：

（由于1000分频过小，所以输入信号周期以无法区别）

然后，为得到0.5HZ频率我们还需将1HZ信号再通过一个T触发器，使信号再次2分频，电路原理图如下：

2分频波形图如下：

最后将以上所有小电路模块进行封装，得到整个脉冲发生电路模块，电路原理图如下：

封装后的电路模块如下：

3.2频率与相位输入电路

由于ROM中设定的相位取样地址为12位,考虑到本实验对于相位的控制精度要求不高，且较小的相位差也不便于观察，故本设计采用4位频率控制字和4位相位控制字进行步长与相位的控制。

在实验中用12位的高4位作为相位控制字，同时用低4位作为频率控制字。

所以，在这里我们可以用一片74163（十六进制）实现计数，通过开关控制计数器的ENTENP得到所需的相位的二进制数表示。

同时使用两片74160组成10进制的计数器与74163同步计数、同步置数，可以实现二进制