基于FPGA的函数信号发生器设计(校优毕业论文Word版).doc
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本科毕业设计（论文）
毕业设计（论文）
题目
基于FPGA的函数信号发生器设计
系（院）
物理与电子科学系
专业
电子信息科学与技术
班级
学生姓名
姜波
学号
指导教师
李卫兵
职称
副教授
二〇一三年六月十八日
III
本科毕业设计（论文）
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一三年六月十八日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一三年六月十八日
38
基于FPGA的函数信号发生器设计
摘要
函数信号发生器在教学、通信、测量等领域是非常重要的的工具。
制作噪声低、频率变换快和分辨率高的信号发生器已引起了现科学界越来越浓厚的兴趣。
由于直接数字频率合成技术（DDS）的各种优点，因此带来了电子科学界频率合成的革命。
本设计主要讨论了如何利用FPGA来实现一个DDS系统，该系统以FPGA为核心的硬件结构来实现，使用Altera公司的CycloneII系列开发板。
通过对时钟信号进行分频和相位累加，对输出的波形进行调用LPM-ROM存储，再经高速D/A转换，低通滤波器后输出函数信号。
通过对QuartusII开发工具的VHDL的编写，电路的连接，时序仿真进行了研究。
而且利用ModelSim进行更精确地仿真。
仿真通过后，形成顶层文件得以完成对系统的全面布局，最后将软件硬件互相结合，下载到开发板FPGA芯片上进行硬件调试。
利用变化的八位控制字实现了正弦波、三角波、方波在1Hz-10MHz的可调输出，利用除法器控制实现波形在0-5V的幅度调节。
关键词：
现场可编程门阵列；直接数字频率合成技术；VHDL语言；数模转换
FPGA-basedFunctionSignalGeneratorDesign
Abstract
Functiongeneratorisaveryindispensabletoolincommunications,measurement,teachingandotherfields.Soproductionfrequencyswitching,highresolutionandlownoisesignalgeneratorfunctionhascausedgrowinginterestinthescientificcommunity.BecauseoftheDirectDigitalSynthesis（DDS）technologyhasmanyadvantages,thescientificcommunityhasbroughtarevolutionfrequencysynthesizer.
ThisdesignfocusonhowtousetheFPGAtoimplementaDDSsystem,whichisthecoreoftheFPGAhardwarearchitecturetoachieve,usingAltera'sCycloneIIdevelopmentboardseries.Throughtheclocksignalfrequencyandthephaseaccumulator,theoutputwaveformisstored,andthentheD/Aconverter,theoutputlow-passfilterfunctionsignal.ThroughtheQuartusIIdevelopmenttoolstowriteVHDL,circuitconnection,timingsimulationwerestudied.AndtheuseofmoreaccuratesimulationwithModelSim.Throughsimulation,theformationofthetop-levelfilesystemtocompletetheoveralllayout,andfinallythecombinedhardwareandsoftware,downloadedtotheFPGAchipdevelopmentboardforhardwaredebugging.Usechangesineightcontrolwordstoachieveasinewave,trianglewave,squarewaveat1Hz-10MHzadjustableoutput,thewaveformusingthedividercontrolthemagnitudeofthe0-5Vregulator.
Keywords:
Field-ProgrammableGateArray;DirectDigitalSynthesizer;
Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage;
Digitaltoanalogconverter
目录
引言 1
第一章DDS技术与原理 2
1.1DDS相关技术 2
1.2DDS的基本原理 2
第二章FPGA及编程环境 5
2.1FPGA的基本原理 5
2.2编程软件—QuartusII 6
第三章系统方案论证 7
3.1系统总体方案设计 7
3.2系统方案论证与选择 8
3.2.1总体方案论证与比较 8
3.2.2DDS模块方案论证 8
3.2.3数据存储方案论证 9
3.2.4键盘/显示方案论证 9
3.2.5数模转换方案论证 9
3.2.6滤波方案论证 10
第四章DDS的FPGA实现 11
4.1主程序流程图 11
4.2各单元内部模块设计 12
4.2.1分频模块的设计 12
4.2.2累加器模块的设计 12
4.2.3波形存储模块的设计 13
4.2.4幅度调节的设计 14
4.2.5mif文件设计 15
第五章信号理论与仿真分析 16
5.1信号理论分析 16
5.2QuartusII信号仿真分析 17
5.2.1锁相环的测试 17
5.2.2正弦波低频区高控制字 17
5.2.3正弦波中频区低控制字 18
5.2.4正弦波中频区高控制字 18
5.2.5正弦波高频区低控制字 19
5.2.6正弦波高频区高控制字 19
5.2.7幅度调节除法器测试 19
5.3ModelSim信号仿真分析 20
5.3.1正弦波产生仿真 20
5.3.2三角波产生仿真 20
5.3.3方波产生仿真 21
5.3.4任意波产生仿真 21
5.3.5四波切换仿真 22
5.3.6波形变频仿真 22
5.3.7波形幅度调节仿真 23
第六章硬件电路的设计 24
6.1系统总电路图 24
6.2系统硬件各模块的设计 25
6.2.1液晶连接电路设计 25
6.2.2DA转换电路 25
6.2.3滤波电路的设计 25
6.2.4控制键盘的设计 26
6.2.5幅值检测电路的设计 26
第七章系统测试 27
7.1硬件调试 27
7.2频率字测试 27
7.3参数测试 28
7.4波形测试 29
总结和展望 30
参考文献 31
谢辞 32
附录 33
引言
随着现在工业和科技的不断提高，传统的三极管等分离元件式模拟信号发生器频率稳定性低、可靠性差的特点，已经不可能满足实际应用的需要，所以就必须制作频率稳定性、精确度更高的信号发生器解决这些问题。
传统的信号发生器技术对科学的发展带来了很多，而且随着集成电路技术和数字信号处理的发展，直接数字频率合成技术（DDS）已开始被广泛的用于信号发生器的发生和制作当中。
因此为了迎合多数的商家以及适合市场的要求，大部分的数字频率芯片只能够产生传统正弦波、矩形波、三角波等常用的函数波形。
虽然，现在的主流芯片也提供一些模拟电路调制的功能。
但是，这些数字频率合成芯片把所有功能集中在一块芯片上，必将导致可控性不灵活，而且性能也会受到一定的影响。
在这种情况下，如果我们能充分利用现场可编程门阵列（FPGA）的可重复编程性、资源的丰富性以及高速等性能，利用直接数字频率合成技术，可以实现一个高灵活性的、高可控性的信号发生器系统。
现场可编程门阵列除了能产生专用数字频率合成芯片所具备的各种形式的线性信号以外，还可以轻松实现各种复杂的非线性调频信号、模拟调制信号，这些灵活性是数字频率合成芯片所不能达到的。
基于现场可编程门阵列器件的高速、高可靠性和现场可编程等优点，本技术已开始广泛应用于数字集成电路设计、数字信号处理、通信等不同的科技领域。
利用直接数字频率合成技术FPGA设计的函数信号发生器具有以下优点：
1、输出相位噪声低；2、频率切换速度快；3、可以产生任意波形；4、全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻；5、灵活的接口和控制方式；6、比专用芯片功耗也低。
第一章DDS技术与原理
1.1DDS相关技术
1971年，美国科学家首次提出了从相位的定义出发来直接合成所需波形的频率生成原理---直接数字频率合成技术（DDS）。
近30多年间，随着科学技术的不断发展，这种技术从而得到了快速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性迅速成为了现代频率合成技术中的领导者。
1993年出现了一种新式复合式的DDS技术，它由一个低速、高分辨率的DDS和一个高速、低分辨率的相位累加器构成，而且具有高速、低功耗特点。
1994年，出现了利用余弦和正弦的改进对称性的存储技术，在不增加ROM的容量下，能产生200MHz正交输出DDS的方法。
随着超高速集成电路的发展，DDS输出带宽限制的缺点在慢慢被克服。
我们可以猜测，DDS技术产品在向集成化，快速化，高应用性的方向高速发展。
直接数字式频率合成技术是可以说是近些年以来伴随集成电路和计算机系统发展而快速发展而来的一种最新最前沿的频率合成技术。
DDS模块一般可由相位累加器、波形存储器、数模转换器及低通滤波器组成，本技术的原理可以说就是将波形数据先存储为mif或hex文件，随后通过频率控制字的控制下，再经相位累加器来从存储器文件中读出波形数据，最后通过高速数模转换和低通滤波器后输出平滑的频率合成函数波形信号。
1.2DDS的基本原理
图1.1DDS基本原理框图
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