基于FPGA直接频合成信号发生器.docVIP

基于 FPGA的直接频 合成信号发生器 院系： 信息技术学院 班级： 指导老师： 姓名： 学号： 摘要 3 一、系统方案选择和论证 3 1.1任务 3 1.2要求 3 二、 设计方案论证 3 三、 理论分析与计算 4 3.1 FPGA产生波形原理 4 3.1.1 DDS产生正弦和三角波的工作原理 4 3.1.2 方波和矩形波产生原理 5 3.2 参数计算 5 3.2.1 频率参数设置 5 3.2.2 相位参数设置 5 3.2.3 幅度值设置 6 3.2.4占空比设置 6 四、系统电路与程序设计 6 4.1 系统总体原理及框图 6 4.2 数字部分关键部分电路 6 4.2.1 拨码开关和按键电路原理图及功能 6 4.2.2可编程部分电路实现 7 4.3 模拟部分电路 8 五、测试方案及结果分析 10 5.1 测试仪器 10 5.2 测试方案 10 5.3 测试结果及分析 10 六、元件清单 11 七、具体实现程序 12 八、总结与体会 29 九．参考书目 29 摘要 直接数字频率合成器(DDS)由于其具有频率分辨率高、频率变换速度快、相位可连续变化等特点,在数字通信系统中已被广泛采用。该信号发生器是基于xilix大学计划EXCD‐1 SOC开发板现进行设计，具有输出幅度可调，分辨率高，多波形，双路输出，频率相位可调的特点。 一、系统方案选择和论证 1.1任务 设计、制作一个双相信号发生器，在特定的频率范围内输出正弦波，号的幅度和相位差可以程控设置，也可以输出矩形波和方波。作品电路中不得使用任何DAC芯片、DDS芯片或微处理器的DAC功能。数字逻辑系统推荐使用EXCD-1 SOC开发板，信号发生器的工作电源可外置。 1.2要求 1.设计的信号发生器产生用FPGA、EPLD、D/A转换器及运放等器件实现，电源自行设计； 2产生三角波、正弦波、方波、锯齿波等三种以上波形；输出波形频率低于500kHz，频率设置可调开关或旋钮。输出波形电压峰峰值大于2V； 输出信号稳定度优于10-3；元器件自选。 课设要求设计信号发生器，要求的精度高，双路多波形，相位频率可调，且输出不可用现成DA芯片，功能较为复杂。经分析，其核心主要是频率产生以及如何实现数模转换部分。下面对于可选方案进行论证。 方案一：采用模拟分离元件进行搭建。 采用分立器件产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；主要的部件有运放运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。可以达到要求，但对于本题实现起来难度较大、可靠性差、系统庞大、灵活性小、线路复杂、调试安装都不方便，且扩展功能困难，不宜在短时间内完成。 方案二：采用锁相式频率合成方案 采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但其只能产生方波或正弦波，要想实现三角波需要外扩积分电路，使电路复杂，不易调节且存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于大步进频率合成技术中。 方案三：采用单片机编程的方法来实现。 该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高，但是单片机处理速度使DDS的频率范围非常有限，加上单片机本身端口较少，对于一个外部频率相位选择键盘输入、ROM地址查表输出端口等来说，资源变得非常紧张。 方案四：采用直接数字频率合成器（DDS）技术 直接数字频率合成器（DDS）技术，具有频率切换速度快，很容易提高频率分辨率，对硬件要求低、可编程全数字化便于单片集成、有利于降低成本、提高可靠性并便于生产等优点。采用用高性能的FPGA 器件设计符合自己需要的DDS 电路是一个很好的解决方法，它的可重配置性结构能方便的实现各种复杂的调制功能，具有很好的实用性和灵活性。利用其丰富的I/O资源，并行处理数据。具有高密度、高速度、多功能、低功耗、设计灵活方便、可无限次反复编程等特点，由FPGA/CPLD完成信号的产生、频率控制、移相等。其优点在于系统结构紧凑，可以实现复杂的测量与控制。 综上所述，采用方案四最为合适。利用FPGA进行合成信号，借助其丰富的I/O资源利用分立元件外扩两路DA等即可实现功能。 三、理论分析与计算 3.1 FPGA产生波形原理 3.1.1 DDS产生正弦和三角波的工作原理 DDS是一种从相位概念出发直接合成所需波形的数字频率合成技术，主要通过查波形表实现。由