【正文】 uare wave, sawtooth wave was designed. It also used hardware description language Verilog HDL as development language. The paper described the design of the main module, such as direct digital synthesizer (DDS), waveform generation and modulation module. And the corresponding simulation results were also presented.At last, the simulation results of the whole system were presented, that is, sine, square, sawtooth waveform has been carried out. Experiments show that the function generator based on FPGA and direct digital frequency synthesis (DDS)technology has overcame the limitations of traditional methods and achieved a signal generator which can generate multiple waveforms and has facilitate FM, AM function.Keywords Function Genenrator Direct Digital Freguency Synthesizer FPGA Verilog HDL II 目 錄1緒論 1 1 1 1 2 22系統(tǒng)基本原理 4 4 4 DMA輸出方式 4 4 4 5 5 6 DDS原理 6 7 8 DDS頻率合成器優(yōu)缺點(diǎn) 8(FPGA) 9 FPGA簡介 9 FPGA特點(diǎn) 9 FPGA工作狀態(tài) 10 FPGA的編程技術(shù) 10 FPGA器件配置方式 11 11 Verilog HDL語言簡介 113系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 13 13 Quartus II簡介 13 Quartus II設(shè)計(jì)流程 13 Quartus II系統(tǒng)工程設(shè)計(jì) 14 14 15 15 15 Diagram/Schematic File并添加模塊電路 16 Waveform File 16 17 18 FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 18 FPGA系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 194系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及仿真 21 21 DDS模塊設(shè)計(jì) 22 32位加法器 22 23 24 24 26 27 285系統(tǒng)調(diào)試 30 30 30結(jié)論 32致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄 35附錄1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖 35附錄2各模塊源程序 35徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)1緒論函數(shù)信號發(fā)生器是各種測試和實(shí)驗(yàn)過程中不可缺少的工具，在通信、測量、雷達(dá)、控制、教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。實(shí)驗(yàn)表明，用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的函數(shù)信號發(fā)生器，克服了傳統(tǒng)方法的局限，實(shí)現(xiàn)了信號發(fā)生器多波形輸出以及方便調(diào)頻、調(diào)幅的功能。文中詳細(xì)闡述了直接數(shù)字頻率合成（DDS）、波形產(chǎn)生以及調(diào)幅模塊的設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。本文在探討函數(shù)信號發(fā)生器幾種實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器。徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)圖書分類號：密 級：摘要函數(shù)信號發(fā)生器是各種測試和實(shí)驗(yàn)過程中不可缺少的工具，在通信、測量、雷達(dá)、控制、教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對相應(yīng)的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，信號發(fā)生器己成為測試儀器中至關(guān)重要的一類。在對直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)充分了解后，本文選擇以Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片為核心，以硬件描述語言Verilog HDL為開發(fā)語言，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可以產(chǎn)生任意波形（以正弦波為例）和固定波形的（以方波和鋸齒波為例）的函數(shù)信號發(fā)生器。本文最后給出了整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，即正弦波、方波、鋸齒波的波形輸出。關(guān)鍵詞 函數(shù)信號發(fā)生器；直接數(shù)字頻率合成；現(xiàn)場可編程門陣列；Verilog HDLAbstractFunction Generator is an indispensable tool in a process of various tests and experiments. It is widely used in munication, measurement, radar, control, teaching and other fields. With the development of China39。不論是在生產(chǎn)、科研還是教學(xué)上，信號發(fā)生器都是電子工程師信號仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具。隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對相應(yīng)的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，信號發(fā)生器己成為測試儀器中至關(guān)重要的一類，因此開發(fā)信號發(fā)生器具有重大意義。本課題的目的是研究函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，用更好的方法設(shè)計(jì)出比較復(fù)雜的調(diào)頻、調(diào)幅功能的函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動態(tài)及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、振動激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D和D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。90年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的函數(shù)發(fā)生器，但是HP公司推出了型號為HP77OS的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由HP877OA任意波形數(shù)字化和HP1776A波形發(fā)生軟件組成。不久以后，Analogic公司推出了型號為Data2020的多波形合成器，Lecroy公司生產(chǎn)的型號為9100的任意波形發(fā)生器等。2003年，Agilent的產(chǎn)品33220A能夠產(chǎn)生17種波形，最高頻率可達(dá)20M。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。同時(shí)可以利用一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個(gè)比較簡單的公式復(fù)合成v=f(t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。目前可以利用可視化編程語言(如 Visual Basic，VisualC等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計(jì)算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來實(shí)現(xiàn)波形的輸入。目前，波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卡以及新近開發(fā)的VXI模塊。在民用方面，VXI模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺式儀器更為方便。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。而且外形尺寸與價(jià)格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。經(jīng)過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高，其變得操作越來越簡單，而輸出波形的能力越來越強(qiáng)。本文在廣泛收集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對直接數(shù)字頻率合成技術(shù)進(jìn)行了深入研究，采用可編程邏輯器件完成了本次設(shè)計(jì)。利用硬件編程語言設(shè)計(jì)乘法器，實(shí)現(xiàn)波形的幅度調(diào)制功能。2系統(tǒng)基本原理任意波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方案主要有程序控制輸出、DMA輸出、可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址和直接數(shù)字頻率合成等多種方式。這種方式具有電路簡單、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)。波形數(shù)據(jù)輸出依靠指令的執(zhí)行來完成，當(dāng)需要同時(shí)輸出多個(gè)信號時(shí)，相鄰信號通道的輸出存在時(shí)間差，受計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的限制，輸出信號的頻率較低。DMA方式輸出信號，可以大大提高信號的數(shù)據(jù)輸出速率。在一個(gè)DMA操作中，只能在一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)多通道的信號輸出。原理框圖如圖21所示。計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的地址碼提供讀出存儲器中波形數(shù)據(jù)所需要的地址信號，波形數(shù)據(jù)依次讀出后送至高速D/A轉(zhuǎn)換器，將之轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，經(jīng)低通濾波器后輸出所需的波形。但其取樣時(shí)頻率較高，對硬件的要求也較高，而且常需多級分頻或采用高性能的鎖相環(huán)，其中分頻式的任意波形發(fā)生器頻率分辨率低，鎖相式的任意波形發(fā)生器頻率切換速度慢。由于用硬件電路取代了計(jì)算機(jī)的控制，信號輸出穩(wěn)定度高。更主要的是，可以將微處理器從信號輸出的負(fù)擔(dān)中解脫出來。圖22直接數(shù)字頻率合成方式的任意波形發(fā)生器基于對函數(shù)信號發(fā)生器的幾種實(shí)現(xiàn)方式的了解，本文選擇方便調(diào)頻、調(diào)幅的直接頻率合成DDS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器。頻率合成理論早在30年代就開始提出，迄今為止已有70年的發(fā)展歷史。頻率合成大致經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：直接頻率合成、采用鎖相技術(shù)的間接頻率合成、直接數(shù)字頻率合成。它利用混頻器、倍頻器、分頻器與帶通濾波器來完成四則運(yùn)算。缺點(diǎn)是直接合成由于使用了大量硬件設(shè)備如混頻器、倍頻器、分頻器、帶通濾波器等，因而體積大、造價(jià)高。而且頻率范圍越寬，寄生分量也就越多。直接頻率合成技術(shù)的固有缺點(diǎn)在間接頻率合成技術(shù)中得到了很好的改善。鎖相環(huán)路(PLL)是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。但是由于其復(fù)雜的技術(shù)原理直到1947年鎖相環(huán)路才第一次用于電視接收機(jī)水平和垂直的同步掃描。它在無線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。直接數(shù)字頻率合成即DDS，它是目前最新的產(chǎn)生頻率源的頻率合成技術(shù)。這種技術(shù)是用數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)模變換器來產(chǎn)生信號，完成直接數(shù)字頻率合成的辦法或者是用計(jì)算機(jī)求解一個(gè)數(shù)字遞推關(guān)系式，或者是查閱表格上所存儲的波形值。這種合成技術(shù)具有相對帶寬很寬，頻率切換時(shí)間短(ns級)，分辨率高(uHz)，相位變化連續(xù)，低相位噪聲和低漂移，數(shù)字調(diào)制功能，可編程及數(shù)字化易于集成，易于調(diào)整等一系列性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為各種電子系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源性能的高質(zhì)量的頻率源。信號源的一個(gè)重要指標(biāo)就是能輸出頻率準(zhǔn)確可調(diào)的所需信號。利用頻率合成技術(shù)制成的信號發(fā)生器，通常被稱為頻率合成器。頻率合成器的主要指標(biāo)如下：(fmin~fmax)：指的是輸出的最小頻率和最大頻率之間的變化范圍。：指的是輸出頻率的最小間隔。：頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來衡量，雜散分量為諧波分量和非諧波分量兩種，主要由頻率合成過程中的非線性失真產(chǎn)生，相位噪聲是衡量輸出信號相位抖動大小的參數(shù)。 DDS原理DDS是一種全數(shù)字的頻率合成方法，其基本結(jié)構(gòu)主要由相位累加器、波形ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器四個(gè)部分構(gòu)成，如圖23所示。從而使輸出結(jié)果每一個(gè)時(shí)鐘周期遞增K。相位累加器結(jié)構(gòu)如圖24所示。DDS直接從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖fc，加法器將頻率控制字K與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。這樣，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。加法運(yùn)算的步進(jìn)越大，相應(yīng)合成的相位值變化越快，輸出信號的頻率也就越高。相位累加器利用Nbit二進(jìn)制加法器的溢出特性來模擬理想正弦波的相位周期。假設(shè)，相位累加器字長為N，DDS控制時(shí)鐘頻率為，時(shí)鐘周期為，頻率控制字為K。因DDS輸出信號是對正弦波的抽樣合成的，所以應(yīng)滿足Niqust定理要求，即，也就是要求，根據(jù)頻譜性能要求，一般取?？梢?，DDS基于累加器相位控制方式給它帶來了微步進(jìn)的優(yōu)勢。再由D/A完成數(shù)字抽樣信號到連續(xù)時(shí)域信號的轉(zhuǎn)換，D/A輸出的臺階信號再經(jīng)低通濾波器平滑可以得到精確的連續(xù)正弦信號波形。圖25波形ROM示意圖用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器的相位取樣地址，這樣就可以把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。但DDS也有比較明顯的缺點(diǎn)：(l)輸出信號的雜散比較大；(2)輸出信號的帶寬受到限制。當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問題正在逐步得到解決。在比較新的DDS芯片中普遍都采用了12bit的D/A轉(zhuǎn)換器。已有研究在對DDS輸出的頻譜做了大量的分析后，總結(jié)出了誤差的領(lǐng)域分布規(guī)律建立了誤差模型，在分析DDS頻譜特性的基礎(chǔ)上又提出了一些降低雜散功率的方法。(FPGA) FPGA簡介 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA采用了邏輯單元數(shù)組 LCA(Logic Cell Array)這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出/輸入模塊IOB(InputBlock.、OutputBlock)和內(nèi)部聯(lián)機(jī)(Interconnect)三個(gè)部分，如圖26所示。CLB以陣列形式分布在FPGA芯片中。通過編程可將I/O引腳設(shè)置成輸入、輸出和雙向等不同的功能，I/OB分布在芯片的四周。圖26 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 FPGA特點(diǎn)FPGA的基本特點(diǎn)主要有：(1)采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片；(2) FPGA可做其他全定制或半定制ASIC電路的合適樣片；(3) FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和IO引腳；(4) FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一；(5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。FPGA具有靜態(tài)