基于FPGA的DDS信号源设计.doc

1、草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 学 草鱼 生 草鱼 姓 草鱼 名 ： pork 草鱼 学 草鱼 号 ：p o r k 草鱼 专 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 业 ： p o r k 电子信息工程 设计 (论文 )题目 ： pork 基于 FPGA 的 DDS 信号源设计 指 草鱼 导 草鱼 教 草鱼 师 ： p o r k 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2013 草鱼 年 草鱼 4 草鱼 月 草鱼 12 草鱼 日 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 开题报告填写要求 草鱼 草鱼 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业 设计（论文）答辩委员会对学生答辩资

2、格审查的依据材料之一 。 草鱼 此报告应在指导教师指导下 ， 鲤鱼 由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成 ， 鲤鱼 经指导教师签署意见及所在专业审查后生效 ； pork草鱼 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印 ， 鲤鱼 禁止打印在其它纸上后剪贴 ， 鲤鱼 完成后应及时交给指导教师签署意见 ； por k草鱼 3“文献综述”应按论文的格式成文 ， 鲤鱼 并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内 ， 鲤鱼 学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇科技论文的信 息量 ，鲤鱼 一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞

3、典 、 pork手册） ； pork草鱼 4 有关年月日等日期的填写 ， 鲤鱼 应当按照国标 GB/T 草鱼 7408 94数据元和交换格式 、 pork信息交换 、 pork日期和时间表示法规定的要求 ， 鲤鱼 一律用阿拉伯数字书写 。草鱼 如“ 2010 年 3 月 15 日”或“ 2010-03-15” 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼毕 草鱼业 草鱼设 草鱼计（论 草鱼文）开 草鱼题 草鱼报 草鱼告 1、 pork 草鱼 结合毕业设计（论文）课题情况 ， 鲤鱼 根据所查阅的文献资料 ， 鲤鱼 每人撰写 草鱼2000 字左右的文献综述 ： pork 文 草鱼献 草鱼综 草鱼述 草鱼 摘要 草鱼

4、 草鱼本文根据所查阅的文献资料对基于 FPGA 的 DDS 信号源设计 进行简要的综述 。 草鱼 首先介绍了基于 FPGA 为核心的 DDS 信号源的 工作原理 ， 鲤鱼 紧接着 提出了系统的 设计方案 ， 鲤鱼 主要包括 频率控制字 K、 pork相位累加器 、 pork相位寄存器 、 pork波形存储器(ROM)、 pork数模转换器和低通滤波器 等 模块设计 。 草鱼 该系统利用硬件描述语言 VHDL， 鲤鱼 FPGA编程环境为 Quartus 草鱼 II。 草鱼 基于 FPGA 的 DDS 信号源 不仅 可以 产 生任意波形 ， 鲤鱼 而且可以获得很高的频率稳定度和精确度 ， 鲤鱼 易

5、于调试 。 草鱼 草鱼 关键词 草鱼 草鱼 FPGA 草鱼 草鱼 DDS 草鱼 草鱼 VHDL 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 1 草鱼 草鱼课题 背景 及意义 草鱼 信号发生器又称信号源或振荡器 ， 鲤鱼 在生产实践和科技领域中有着广泛的应用 。 草鱼 能够产生多种波形 ， 鲤鱼 如三角波 、 pork锯齿波 、 pork矩形波 (含方波 )、 pork正弦波的电路被称为函数信号发生器 。 草鱼 函数信号发生器的实现方法通常是采用分立元件或单片专用集成芯片 ， 鲤鱼 但其频率不高 ， 鲤鱼 稳定性较差 ， 鲤鱼 且不易调试 ， 鲤鱼 开发和使用上都受到较大限制 。 草鱼 随着可编程逻辑器件 (FPGA

6、)的不断发展 ， 鲤鱼 直接频率合成 (DDS)技术应用的愈加成熟 ， 鲤鱼 利用DDS 原理在 FPGA 平台上开发高性能的多种波形信号发生器与基于 DDS 芯片的信号发生器相比 ， 鲤鱼 成本更低 ， 鲤鱼 操作更加灵活 ， 鲤鱼 系统开发趋于软件化 、 pork自定义化 。 草鱼 草鱼 中国已成为全国最大的半导体市场 ， 鲤鱼 FPPA 必将大规模的运用到未来产业界 ， 鲤鱼 实现各种简单复杂的数字逻辑 。 草鱼 同时 ， 鲤鱼 对于熟练掌握 FPGA 开发的工程师的需求也会增多 。 草鱼 在现阶段 ， 鲤鱼 整个电子行业都 亟需 能熟练 掌握 FPGA 系统设计与应用的人才 ， 鲤鱼

7、此类职业大多属于高薪层次 。 草鱼因此 ， 鲤鱼 了解 FPGA 基础知识 ， 鲤鱼 掌握 FPGA 设计与开发是我们电子专业很好的发展方向 。草鱼 草鱼 2 草鱼 草鱼系统的 工作原理 草鱼 系统 以 DDS 为核心 ， 鲤鱼 DDS 由频率控制字 K、 pork相位累加器 、 pork相位寄存器 、 por k波形存储器 (ROM)、 pork数模转换器和低通滤波器组成 ， 鲤鱼 其工作原理如下图 1所示 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 其中 ， 鲤鱼 K 是频率控制字 ， 鲤鱼 N 是相位累加 器的位数 ， 鲤鱼 M 为 ROM 数据线位数 ， 鲤鱼 即 D/A 转换器的位数 ， 鲤

8、鱼 f0 为输出频率 ， 鲤鱼 fc 为时钟频率 。 草鱼 工作过程是预先在 ROM 里存入波形的幅度编码 ， 鲤鱼 每来一个时钟信号 ， 鲤鱼 N 为的相位累加器将频率控制字 K 与相位寄存器的输出累加 ，鲤鱼 同时相位寄存器输出序列的高 M 位去寻址 ROM， 鲤鱼 得到一系列离散的幅度编码 ， 鲤鱼 该幅度编码经数模转换后得到模拟的阶梯电压 ， 鲤鱼 再经低通滤波器平滑后 ， 鲤鱼 即可得到所需的输出信号 。 草鱼 一般将相位累加器 、 pork相位寄存器和 波形存储器 ROM 称为数控振荡器 (NCO)。 草鱼草鱼 DDS的输 出信号频率为 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼

9、草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 N0cf K*f 2 草鱼 当 K 为 1 时输出频率最小 ， 鲤鱼 频率分辨率为 ： por k 草鱼 N0 0minf f 2 草鱼 2.1 草鱼 草鱼频率控制字 K 草鱼 频率控制字 K 由上位机生成 ， 鲤鱼 用以调节信号输出频率 ,由信号频率公式可知 ， 鲤鱼 当 时钟频率 fc 和相位累加器位数 N 固定以后 ， 鲤鱼 通过改变 K 值大小即可达到改变输出频率的目的 。 草鱼草鱼 2.2 草鱼 草鱼NCO 模块 草鱼 NCO 模块完成相位累加功能 ， 鲤鱼 相位累加是 DDS 的核心功能 ， 鲤鱼 它由一个 N

10、 位字长的相位累加器和 N位字长的相位寄存器级联构成 。 草鱼 相位寄存器的输出与相位累加器的一个输入端在内部相连 ， 鲤鱼 相位累加器的另一个输入端是外部输入的频率控制字 K。 草鱼 这样 ， 鲤鱼 在 每个时钟到达时 ，鲤鱼 相位寄存器将上个时钟周期内相位寄存器的值与频率控制字求和 ， 鲤鱼 并作为相位累加器在这一时钟周期的输出 。 草鱼 频率控制字决定了相应的相位增量 ， 鲤鱼 相位累加器则不断地对该相位增量进行线性累加 ， 鲤鱼 当溢出时则返回初始状 态 。 草鱼 草鱼草鱼 2.3 草鱼 草鱼相位累加器 与相位寄频率控制字 K 相位累加器 相位寄存器 波形存储器 ROM DAC 低通滤

11、波器 K M N 图 1 DDS 原理图 f0 NCO fc fc 存器 草鱼草鱼 相位累加器和相位 寄存 器主要完成累加 ， 鲤鱼 实现波形频率可调功能 。 草鱼 相位累加器是决定 DDS 性能的关键部分 。 草鱼 在系统的参考时钟一定时 ， 鲤鱼 相位累加器的位数决定了输出频率的分辨率 。 草鱼 但是 ， 鲤鱼 相位累加器的位数越大 ， 鲤鱼 整个系统的速度就越慢 。 草鱼 为此 ， 鲤鱼 在相位累加器中引入流水线技术 。 草鱼 即把一个时钟周期内要完成的逻辑操作分成几步小的操作 ， 鲤鱼并在各个操作中插入时钟周期 ， 鲤鱼 以此提高数据的吞吐速率 。 草鱼 草鱼 2.4 草鱼 草鱼 波形

12、存储器 ROM草鱼 波形存储器 是一个只读存储器 (ROM)， 鲤鱼 是一个正弦查询表存储器 。 草鱼 它以相位为地址 ，鲤鱼 存有一个或多个按 0 360相位划分幅值的正弦波幅度信息 ， 鲤鱼 正弦查询表的输出为数字化正弦幅度值 。 草鱼 草鱼 2.5 草鱼 草鱼数 /模转换（ D/A） 草鱼 DAC 即 D/A 转换器 ， 鲤鱼 是 在 波形数据产生单元之后 ， 鲤鱼 将数字量形式的波形幅值转换成所要求的合成频率的模拟量形式信号 。 草鱼D/A 有电压和电流输出两种 ， 鲤鱼 其输出信号并不能真正连续可变 ， 鲤鱼 而是以其绝对分辨率为最小单位的 ， 鲤鱼 所以其输出实际上是一个阶梯模拟信

13、号 ， 鲤鱼 因此 需在数 / 草鱼 模转换后利用低通滤波器对波形进行平滑处理 。 草鱼 草鱼 2.6 草鱼 草鱼 低通滤波器 草鱼 低通滤波器是一种能通过有用频率信号而同时抑制 (或衰减 )无用频率信号的电子装置 。 草鱼 低通滤波 器滤除高频成分和噪声最终得到一个纯正度很高的正弦波 ， 鲤鱼 运算放大器具有近似理想的特性 ， 鲤鱼 且可以省去电感 ，鲤鱼 所以可以 得到接近理论预测的频率响应特性 。 草鱼 草鱼 3 草鱼 草鱼 软件编程语言 草鱼 在本次设计 中 ，鲤鱼 FPGA 的编程语言选用 VHDL 语言进行编程 。 草鱼 VHDL 是超高速集成电路硬件描述语言的简称 ， 鲤鱼 VH

14、DL 主要用于描述数字系统或模块的结构 、 por k行为 、 pork功能和接口等 ， 鲤鱼 能够进行各种层次模块的设计 。 草鱼 VHDL 不仅 适合层次化和模块化设计 而且 适合仿真设计 。 草鱼 VHDL 的设计是以行为 级进行设计的 ， 鲤鱼 设计者 要 根据 VHDL 的语法规则 ， 鲤鱼 对系统目标的逻辑行为进行描述 ， 鲤鱼 之后通过工具对电路结构进行综合 、 pork编译 、 pork优化 ， 鲤鱼 再利用仿真软件进行逻辑功能仿真 。 草鱼 草鱼 4 草鱼 草鱼 软件编程环境 草鱼 本次设计是基于 FPGA 的 DDS 信号源 设计 ， 鲤鱼 FPGA的编程环境为 Quart

15、us 草鱼 II。 草鱼草鱼 Quartus 草鱼 II 是一种可编程逻辑的设计环境 ， 鲤鱼 具有强大的设计能力和直观易用的接 口 。 草鱼 Quartus 草鱼 II 编译器可以支持多种设计输入方法 。 草鱼 它本身具有的编辑器支持原理图式图形的设计输入 ， 鲤鱼 内存编辑输入和文本编辑输入 。 草鱼 Quartus 草鱼 II 编译器功能包括逻辑综合 、 por k设计错误检查 、 porkAltera 适配器件 、 por k以及仿真 、 pork定时分析和器件编译产生输出文件 。 草鱼草鱼 5 草鱼 草鱼FPGA 的开发流程 草 鱼草鱼 FPGA 的设计过程就是利用 EDA 开发软件

16、和编程工具对 FPGA 芯片进行开发的过程 。 草鱼 FPGA 的开发流程 包括电路设计 、 pork设计输入 、 por k功能仿真 、 pork综合优化 、 pork综合后仿真 、 pork实现与布局布线 、 pork板级仿真与验证 ， 鲤鱼 芯片编程与调试 。 草鱼 草鱼 6 草鱼 草鱼小结 草鱼 以上主要 介绍了以直接数字频率合成技术 DDS 为基础的波形信号发生器工作原理和设计过程 。 草鱼 随着 FPGA 的不断发展 ， 鲤鱼 直接频率合成 DDS 技术应用的愈加成熟 ， 鲤鱼 基于 FPGA 平台开发信号发生器将逐步走向标准化 、 pork规模化和产品化 。 草鱼同时 对信号发生

17、器提出了更高 、 por k更严格的要 求 。 草鱼 研究和开发具有更高性价比的信号发生器将是当前和今后一段时间内亟需解决的课题 。 草鱼 若能充分利用 FPGA 强大的数据运算处理能力以及编程灵活 、 por k运行速率快等优点 ， 鲤鱼 简化设计结构 ， 鲤鱼 一定可以设计出功能多样 、 pork性能更加出色的信号发生器 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 参 草鱼 考 草鱼 文 草鱼 献 草鱼 草鱼草鱼 1 草鱼 草鱼 刘晨 ， 鲤鱼 王森章 . 草鱼直接数字频率合成器的设计及 FPGA 实现 J. 草鱼 微电子学与计算机 ， 鲤鱼 2004， 鲤鱼 21（ 5） ： p

18、ork6367.草鱼 2 草鱼 草鱼 周梦然 . 草鱼 CPLD/FPGA 的开发与应用 M. 草鱼 北京 ： pork中国矿业大学出版社 ， 鲤鱼 2007.草鱼 3 草鱼 草鱼 刘小俊 . 草鱼 基于 EDA 技术的兼容 MCS 51 单片机 IP 核设计 J. 草鱼 武汉理工大学 ， 鲤鱼 2005， 鲤鱼 5：p ork43 47.草鱼 4 草鱼 草鱼 董国伟 ， 鲤鱼 李秋明 ， 鲤鱼 赵强 . 草鱼 基于 FPGA 的直接数字频率合成器的设计 J. 草鱼仪器仪表学报 ， 鲤鱼 2006， 鲤鱼 6（ 1） ： pork877 880.草鱼 5 草鱼 草鱼 赵丽娜 ， 鲤鱼 郭宝增

19、， 鲤鱼 刘少鹏 . 草鱼 基于 FPGA 的DDS 基本信号发生器的设计 J. 草鱼 电子设计工程 ， 鲤鱼 2012， 鲤鱼 20（ 12） ： pork190 193.草鱼 6 草鱼 草鱼 曹郑蛟 ， 鲤鱼 滕召胜 ， 鲤鱼 李华忠 . 草鱼 基于 FPGA 的 DDS 信号发生器设计 J. 草鱼 计算机测量与控制 ， 鲤鱼 2011，鲤鱼 19（ 12） ： pork3175 3186.草鱼 7 草鱼 草鱼 高琴 ， 鲤鱼 姜寿山 ， 鲤鱼 魏忠义 . 草鱼 基于 FPGA 的 DDS 信号源设计与实现 J. 草鱼 西安工程科技学院学报 ， 鲤鱼 2006， 鲤鱼 20（ 2） ： p

20、ork211 214.草鱼 8 草鱼 草鱼 诸振勇 ， 鲤鱼 翁木云 . 草鱼 FPGA设计及应用 M. 草鱼 西安 ： pork西安电子科技大学出版社 ， 鲤鱼 2002.草鱼 9 草鱼 草鱼 沈辉 ， 鲤鱼 王诗魁 ， 鲤鱼 韦芙芽 . 草鱼 基于 FPGA 和 DDS 的数控信号源的设计与实现 J. 草鱼 电子科技 ， 鲤鱼 2012， 鲤鱼 25（ 3） ： pork82 86.草鱼 10 草鱼 曾繁态等 . 草鱼 EDA 工程概论 M. 草鱼 北京 ： pork清华出版社 ， 鲤鱼 2003.草鱼 11 草鱼 阳星明 . 草鱼 数字逻辑 M. 草鱼武汉 ： p ork华中科技大学出版

21、社 ， 鲤鱼 2005.草 鱼 12 草鱼 黄智伟等 . 草鱼 FPGA 系统设计与实践 M. 草鱼 北京 ： pork电子工业出版社 ， 鲤鱼 2005.草鱼 13 草鱼 蔡明生 . 草鱼 电子设计 M. 草鱼 北京 ： pork高等教育出版社 ， 鲤鱼 2004.草鱼 14 草鱼 潘松 . 草鱼 EDA 技术实用教程（第三版） M. 草鱼 北京 ： pork科学出版社 ， 鲤鱼 2006.草鱼 15 草鱼 Mark 草鱼 Zwolinski. 草鱼 VHDL 数字系统设计 M. 草鱼 北京 ： pork电子工业出版社 ， 鲤鱼 2007.草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 毕 草鱼业

22、 草鱼设 草鱼计（论 草鱼文）开 草鱼题 草鱼报 草鱼告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ： pork 本课题要研究 的 问题 草鱼 本课题是以基于 FPGA 的 DDS 信号源设计 的研究 为目的 。 草鱼 以 FPGA开发平台为核心 ， 鲤鱼 将各波形的幅值 /相位量化数据存储在 ROM 内 ， 鲤鱼 按照设定频率 ， 鲤鱼以相应频率控制字 k 为步进 ， 鲤鱼 对相位进行累加 ， 鲤鱼 以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据 ， 鲤鱼 经 D/A 转换和幅度控制 、 pork低通 滤波即可得到所需波形 。 草鱼本 系统 采用 硬件描述语言 VHDL， 鲤鱼

23、 FPGA 的编程环境为 Quartus 草鱼 II。 草鱼 草鱼 2、 pork拟采用的研究手段 草鱼 本课题采用 EDA 软件 QuartusII 以及 FPGA 芯片的工作原理 ， 鲤鱼 以及通过VHDL 的编程 。 草鱼 本课题 利用 FPGA 的内部 资源 ， 鲤鱼 完成相位累加器 、 pork正弦查询表 、 pork数模转化器和低通滤波器等模块设计 。 草鱼 根据 DDS 信号源工作原理 ， 鲤鱼 给出整体电路设计和仿真结果 。 草鱼 基于 FPGA 的 DDS 信号发生器 与 传统 的信号发生器相比 ， 鲤鱼 不仅 成本更低 ， 鲤鱼 操作更加灵活 ， 鲤鱼 而且 系统开发趋于软

24、件化 、 pork自定义化 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼毕 草鱼业 草鱼设 草鱼计（论 草鱼文）开 草鱼题 草鱼报 草鱼告 指导教师意见 ： pork 1 对“文献综述”的评语 ： pork草鱼 文献综述对 DDS 信号源发展背景 ， 鲤鱼 系统工作原理及框图等问题进行了阐述 。 草鱼 毕业设计将重点研究用 FPGA 来实现指定频率波形输出的方法 。 草鱼 文献综述内容完整 ， 鲤鱼 思路清晰 ， 鲤鱼 格式规范 ， 鲤鱼 对完成毕业设计有良好的促进作用 。 草鱼 草鱼 草鱼 2对本课题的深度 、 pork广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测 ： pork草鱼 毕业设计将重点研究相

25、 位累加器模块 ， 鲤鱼 正弦查询表模块 、 porkD/A 模块和低通滤波器模块的 VHDL 语言程序编写 。 草鱼 设计中应用 Altera 公司的 EDA 设计工具软件 Quartus 草鱼 II 完成程序的编译 ， 鲤鱼 综合与仿真 ， 鲤鱼 并能够将程序下载到 FPGA 开发板上 ， 鲤鱼 观察整体系统输出 。 草鱼 该毕业设计具有一定的难度和深度 ， 鲤鱼 工作量合适 。 草鱼 该生通过进一步的研究 ， 鲤鱼 能够完成毕业设计预定任务 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼

26、草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 指导教师 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草 鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 年 草鱼 草鱼 草鱼 月 草鱼 草鱼 草鱼 日 所在专业

27、审查意见 ： pork草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 负责人 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 年 草鱼 草鱼 草鱼 月 草鱼 草鱼 草鱼 日 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼