1、毕业论文开题报告 电气工程及其自动化 基于 FPGA 的 DDS 正弦波信号发生器设计 一、课题研究意义及现状 这些年来随着我国对超大规模集成电路的重视，也发表了许多关于 DDS技术的论文，逐步走上了发展的道路，但是在这之中主要是利用 DDS技术去实现功能的改进和对性能指标的提高，几乎是没有关于 DDS芯片的设计和研发，因此我国在 DDS的研究上与国际水平还是有很大的差距。近几年来我国芯片产业的快速发展，对 DDS的研究已经有了突破性的进展从而推动数字信号处理器的飞速发展，使微处理器具有先进的数字信号处理技术，能实现多种功能 ，对正弦波发生器而言，随着 DDS技术的诞生，使波形发生器技术得到进
2、一步的飞跃。相对与其他频率合成技术， DDS技术产生的正弦波具有 全数字化、输出频率精度高、波形失真小、频率稳定度高、分辨率高、输出相位连续可调、控制灵活方便、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号以及等特点 。 本次研究课题是基于 FPGA的 DDS正弦波发生器设计，现在 FPGA的主流发展趋势就是在 FPGA中嵌入可编程的低功耗、高速收发器，具有嵌入式高速收发器的 FPGA为数据传输提供了可行的单芯片解决方案，能够快速地解决协议和速率的变化问题，以及为了提 高性能和为产品增加新功能时所做的设计修改所需的重新编程问题。本课题采用 FPGA设计实现 DDS电路的可行性和可靠性，也更为灵活，可以根
3、据不同的需要对控制方式和接口进行相应的修改，要想使 DDS电路产生正弦波形，只要对 FPGA中 ROM表的数据进行修改。另外 FPGA设计还具有相对较宽的带宽、频率转换时间较短、相位连续变化、频率分辨率高等优点。同时 FPGA芯片还可以对体统进行现场修改和调试，性能也使用要求，所以将DDS设计嵌入到 FPGA片所构成的系统中，将使系统具有很高的性价比。本次研究主要利用的是 Quartus软 件进行 DDS正弦波信号发生器功能的实现进行编译，仿真，培养了自己的动手能力把理论和实际结合起来。 二、课题研究的主要内容和预期目标 1 主要内容 本 次课题的主要内容就是采用 DDS技术设计一个正弦波发生
4、器，主控要求用 FPGA实现。 掌握 DDS工作原理、基本结构和 DDS设计思路，了解 FPGA芯片的功能及应用， Quartus软件应用，以FPGA为主控确定正弦波信号发生器的实现结构图，并可以对正弦波的频率、幅值等进行设定，通过VHDL语言进行程序设计，并软硬件综合调试通过。 2预期目标 1） 预期设计一个 DDS技 术正弦波信号发生器，主控以 FPGA实现。采用 FPGA设计，首先要考虑它的输入、输出接口方案，确定输入和输出的数据量和控制量、位数、 I/O位置等，以及和外围电路的接口及控制时序、控制方式等。另外， 由于信号都是由 FPGA在数字域进行处理，可以将 FM和 AM等调制在数字
5、域实现。调制电路的功能 基本 都 是由 FPGA内部 的数字逻辑电路来实现， 从而使 整个系统的电路 更加简单 ，同时数字调制避免了模拟调制带来的误差和干扰，提高了调制的性能。仅用单片 FPGA就实现了直接数字频率合成技术（ DDS），产生 稳定的 正弦波，调制信号参数由 FPGA内部 输入 ，也可以从外部输入。整个系统结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展性强。 2）由于主要是以 FPGA为主的主控模块进行实现，在 FPGA中 DDS的基本结构系统主要包括有相位累加器、正弦 ROM表、 D A转换器、低通滤波组成，相位累加器由一个 N位的加法器和 N位的寄存器构成， 在控制时钟信号作用下，累加
6、器将与输出信号频率对应的频率字进行累加，然后与相位字相加以形成最终相位信息 ，从而使每一个时钟周期输出结果递增 K（频率控制字）。相位调制器接收相位累加器的相位输出，主要用于信号的相位调制，其输出的数据作为查找表的 相位取样地址。这样就可把存储在波形 ROM内的波形抽样值 (-进制编码 )经查找表查出，完成相位到幅值转换，再经 DAC将数字量形式的波形幅值转换成所要求频率的模拟量形式信号，最后由低通滤波器将 DAC输出的阶梯状波形平滑为所需的连续波形，即可得到由频率控制字决定连续变换输出的正弦波，这样就可以通过FPGA控制对正弦波的频率幅值等参数进行设定了。 3）然后利用 VHDL语言进行编译
7、并通过 Quartue软件进行仿真。在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。 三、课题研究的方法及措施 1 研究方法 首先要对 FPGA 和 DDS 技术正弦波发生器进行了解，这需要查阅一定的资料，了解 DDS 工作原理、基本结构，各项功能的实现， FPGA 的硬件功能和其内部的逻辑功能。因为本次研究要完成的是通过FPGA 主控的 DDS 正弦波发生器的设计，主要利用 Quartue软件对 DDS 正弦波信号发生要实现的功能来进行编程，并调式通过。并通过来 FPGA 实现各种功能的控制。在这个过程中，需要查阅相关资料。并编写完整程序，通过调试达到预期的效果。 2研
8、究措施 1）收集查阅 DDS 正弦波发生器的相关资料，对 FPGA 的应用设计情况进行 了熟悉了解；了解不同的设计实现方法，比较现有的相关方案，确定本课题研究和实现方案，然后对方案中的各单元进行了必要的分析和研究。 2）对所研究的 DDS 正弦波功能进行分类，并利用 Quartue软件对各个功能进行软件编程。 3）根据 DDS 正弦波信号发生器所要实现的功能，根据功能来分配 I/O 接口。完成了编程以后，进行调试，看是否满足预先所设想的功能。 FPGA 控制框图如下： FPGA 控制框图 根据以上模块，在综合利用 Quartue软件，大致确定 定 I/O 点数，综合 FPGA 的性价比。选定F
9、PGA 芯片。 4）在硬件的调试过程中可能不能达到技术指标，所以需要反复调试，最终达到预期目标。 5）具体实现中，充分考虑稳定性，可靠性和可拓展性等相关问题。 四、课题研究进度计划 1 2010 年 10 月 15 日至 2010 年 12 月 3 日 分析设计任务，查阅 DDS 发生器设计和应用资料，确定系统实现总体方案设计；完成开题报 告、文献综述、外文翻译等相关工作。 2 2010 年 12 月 4 日至 2010 年 12 月 31 日 设计与写论文，包括软件程序设计和硬件电路调试等，撰写设计报告与论文。 3 2011 年 1 月 1 日至 2011 年 3 月 22 日 设计作品的继
10、续完善，论文修改，毕业答辩准备等 4 2011 年 3 月 23 日至 2011 年 4 月 24 日 完成综合调试，完成毕业设计论文；做好答辩用的 PPT，并做好答辩准备 五、参考文献 1 刘延飞等 .基于 Altera FPGA/CPLD 的电子系统设计及工程实践 M.北京：人民邮电出版社， 2009年 9 月 . 2 周润景 等 .基于 Quartus的 FPGA/CPLD 数字系统设计实例 M.北京：电子工业出版社， 2007 年8 月 . 3 杨晓慧 等 .基于 FPGA 的 EDA/SOPC 技术与 VHDLM.北京：国防工业出版社， 2007 年 10月 . 4 Stephen
11、Brown,Zvonko Vranesic.Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design(2nd Edition)M.New York:McGraw-Hill,2007,5. 5 贾立新 等 .电子系统设计与实践 M.北京：清华大学出版社， 2007 年 4 月 . LED 显示 FPGA 控制器 DA 输出 键盘 6 常晓明 ， 李媛媛 .Verilog-HDL 工程实践入门 (附光盘 )M.北京：北京航空航天大学出版社， 2005年 8 月 . 7 Ming-Bo Lin.Digital System Designs and Practices: Using Verilog HDL and FPGAs M.New York:McGraw-Hill,2008,8. 1 刘韬等 . FPGA数字电子系统设计与开发实例导航 M.北京：人民邮电出版社， 2005年 6月 . 2 张庆玲等 . FPGA原理与实践 M.北京：北京航空航天大学出版社 ,2006年 4月 . 3 黄智伟 .锁相环与频率合成器电路设计 M.西安： 西安电子科技大学出版社， 2008年 1月 . 4 白居宪 .直接数字频率合成 M.西安：西安交通大学出版社， 2007 年 7 月 .
