基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成器設計

1、 jiangsu university of technology fpga技術實驗報告 基于fpga的直接數(shù)字頻率合成器設計學 院： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 測控技術與儀器 班 級： 11測控2 姓 名： 學 號： 指導教師： 時 間: 2014年12月 目 錄一、功能要求與整體設計-（3）1.1功能要求-（3）1.2整體設計-（3） 二、 dds技術的基本原理-（3）三、 基本dds設計-（5）3.1 頻率預置與調(diào)節(jié)電路-（5）3.2 累加器-（5）3.3 波形存儲器-（6）3.4 d/a轉(zhuǎn)換器-（6）3.5 低通濾波器-（6）四 、基于dds的正弦信號發(fā)生器設計實現(xiàn)-（6）4.1 3

2、2位加法器adder32設計-（6）4.2 32位寄存器reg32b設計-（7）4.3 正弦波rom設計-（8）五、程序設計-（9）5.1正弦波產(chǎn)生程序設計-（9）5.2 三角波產(chǎn)生程序設計-（11）5.3方波產(chǎn)生程序設計-（12）5.4鋸齒波產(chǎn)生程序設計-（14）5.5 頂層仿真-（16）六、 dac0832接口電路及程序設計-（17）6.1 dac0832接口電路設計-（17）6.2 dac0832 接口程序設計-（18）七、 軟硬件調(diào)試-（18）7.1 軟件下載-（18）7.2 硬件調(diào)試-（19）八、心得體會-（22）九、參考文獻-（22）十、附錄-（23） 附錄1 源程序清單-（23）

3、 附錄2 實物圖-（27）一、功能要求和整體設計1.1功能要求設計一個多功能波形發(fā)生器。該波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和由用戶編輯的特定形狀波形。具體要求如下：（1）具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波4種周期性波形的功能。（2）用鍵盤輸入編輯生成上述4種波形（同周期）的線性組合波形。（3）具有波形存儲功能。（4）輸出波形的頻率范圍為100hz200khz；重復頻率可調(diào)，頻率步進間隔100hz。（5）具有顯示輸出波形的類型、重復頻率（周期）和幅度的功能。 1.2整體設計多功能波形發(fā)生器系統(tǒng)由輸入部分、fpga部分、dac、顯示部分四部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。 圖1-1 系統(tǒng)框

4、圖二、dds技術的基本原理 對于正弦信號發(fā)生器，它的輸出可以用下式來描述： (1)其中，sout是指該信號發(fā)生器的輸出信號波形，fout只輸出信號對應的頻率。上式的表述對于時間t是連續(xù)的，為了用數(shù)字邏輯實現(xiàn)該表達式，必須進行離散化處理，用基準時鐘clk進行抽樣，令正弦信號的的相位為 （2）在一個clk周期clk，相位的變化量為 （3）其中fclk指clk的頻率對于2可以理解為“滿”相位，為了對進行數(shù)字量化，把2切割成2n，用詞每個clk周期的相位增量用量化值b來描述：b=（·2n）/2，且b為整數(shù)與上式聯(lián)立可得： （4）顯然，信號發(fā)生器可以描述 （5）其中k-1指前一個clk周期的相

5、位值，同樣得出 （6）由以上推倒可以得出，只要對相位的量化值進行簡單的累加運算，就可以得到正弦信號的當前相位值，而用于累加的香味增量量化值b決定了信號的輸出頻率fout并呈現(xiàn)簡單的線性關系。 直接數(shù)字合成器dds就是根據(jù)以上原理而設計的數(shù)控頻率合成器，圖2-1為其基本dds結(jié)構(gòu)，主要有相位累加器、相位調(diào)制器、正弦rom查找表構(gòu)成圖中的相位累加器、相位調(diào)制器、正弦rom查找表是dds結(jié)構(gòu)中的數(shù)字部分。圖2-1 基本dds結(jié)構(gòu)三、 基本dds設計dds基本組成如圖3-1所示。圖3-1為dds基本組成3.1 頻率預置與調(diào)節(jié)電路 此部分主要實現(xiàn)頻率控制量的輸入與調(diào)節(jié)，不變量k被稱為相位增量，也叫頻率控

6、制字，通過調(diào)節(jié)頻率控制字可以改變信號的輸出頻率。3.2 累加器相位累加器由加法器和寄存器組成，其組成框圖如圖3-2所示。 圖3-2 相位累加器組成框圖 在時鐘的作用下，進行相位累加，當相位累加器累加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作。3.3 波形存儲器 可以進行波形的相位幅值轉(zhuǎn)換。rom的n位地址：把0360度的正弦角度離散成具有2n個樣值的序列 ；rom的d位數(shù)據(jù)位：2n個樣值的幅值量化為d位二進制數(shù)據(jù)。3.4 d/a轉(zhuǎn)換器 d/a轉(zhuǎn)換器可以把已經(jīng)合成的波形的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。3.5 低通濾波器濾除生成的階梯形正弦波中的高頻成分，將其變成光滑的波形。四、基于dds的正弦信號發(fā)生器

7、設計實現(xiàn)根據(jù)設計原理框圖分別設計出加法器、寄存器、正弦波等rom。 4.1 32位加法器adder32設計 在原理圖文件下在空白處雙擊，單擊“megawizard plug-in manager”選擇第一項，如圖4-1所示 。圖4-1 原理圖設置 選擇器件為cyclone，語言方式為veriloghdl。在算數(shù)項arithmetic中選擇計數(shù)器lpm_add_sub.存于所建工程文件夾下命名為adder32. 單擊next,進入以后對話框后選擇32位加法器工作模式選擇有一位加法進位輸出，選擇有符號加法方式，選擇2級流水線工作模式 ,此時該加法器變?yōu)橛袝r序電路的模塊，最后至finish按鈕，編輯

8、完成，32位加法器模塊如圖4-2所示。 圖4-2 32位加法器模塊4.2 32位寄存器reg32b設計 寄存器dff32由lmp_ff宏模塊擔任，生成方法同adder32相同，設置位數(shù)為32位，且為時序控制模塊，如圖4-3所示。圖4-3 32位寄存器模塊 dff32與adder32構(gòu)成一個32位累加器其高十位a31.22為波形數(shù)據(jù)rom的地址。 十位加法器和寄存器與32位方法相同。4.3 正弦波rom設計 a.首先通過mif文件來產(chǎn)生正弦波注意：在生成正弦波的時候要注意與sin_rom中的數(shù)據(jù)一致。即位depth = 1024;width = 10;這樣才能保證在最后的輸出中能夠有完整的正弦波

9、圖形輸出。存盤并命名為sin_rom.mifb.lpm_rom的訂制：按adder32的產(chǎn)生方法來產(chǎn)生lmp_rom，在宏模塊選擇中選“memory complier”中“rom:1-port”項,依次設定地址線與數(shù)據(jù)線的位寬均為十位，最后產(chǎn)生lmp_rom，如圖4-4所示。圖4-4 正弦波模塊 其他波形rom與正弦波類似。五、程序設計5.1 正弦波產(chǎn)生程序設計 通過循環(huán)不斷地從ram中依次讀取正弦波一個周期在時域上64個采樣點的波形數(shù)據(jù)送入波形dac，從而產(chǎn)生正弦波。正弦波的頻率取決于讀取數(shù)據(jù)的速度。程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;

10、library altera_mf;use altera_mf.all;entity sin_rom isport(address: in std_logic_vector (9 downto 0);inclock: in std_logic ; q: out std_logic_vector (9 downto 0);end sin_rom;architecture syn of sin_rom issignal sub_wire0: std_logic_vector (9 downto 0);component altsyncramgeneric (clock_enable_input_a

11、: string;clock_enable_output_a: string;init_file: string;intended_device_family: string;lpm_hint: string;lpm_type: string;numwords_a: natural;operation_mode: string;outdata_aclr_a: string;outdata_reg_a: string;ram_block_type: string;widthad_a: natural;width_a: natural;width_byteena_a: natural);port

12、(clock0: in std_logic ;address_a: in std_logic_vector (9 downto 0);q_a: out std_logic_vector (9 downto 0);end component;beginq <= sub_wire0(9 downto 0);altsyncram_component : altsyncramgeneric map (clock_enable_input_a => "bypass",clock_enable_output_a => "bypass",init_f

13、ile => "myrom.mif",intended_device_family => "cyclone ii",lpm_hint => "enable_runtime_mod=no",lpm_type => "altsyncram",numwords_a => 1024,operation_mode => "rom",outdata_aclr_a => "none",outdata_reg_a => "clock0

14、",ram_block_type => "m4k",widthad_a => 10,width_a => 10,width_byteena_a => 1)port map (clock0 => inclock,address_a => address,q_a => sub_wire0);end syn; 5.2 三角波產(chǎn)生程序設計 三角波波形是對稱的，每邊呈線形變化，所以可以根據(jù)地址數(shù)據(jù)做簡單運算，就可以得到三角波。程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee

15、.std_logic_unsigned.all;-程序包entity triangle is-定義三角波實體port(clk,reset:in std_logic;q:out std_logic_vector(7 downto 0);end triangle;architecture behav of triangle is -定義三角波結(jié)構(gòu)體beginprocess(clk,reset) -進程開始variable tmp:std_logic_vector(7 downto 0); -定義中間變量tmp、avariable a:std_logic;beginif reset='0&#

16、39;then -復位信號設置tmp:="00000000"elsif rising_edge(clk) then -捕捉時鐘信號上升沿if a='0'then -a=0時依次輸出三角波上升沿if tmp="11111110"thentmp:="11111111"a:='1'else tmp:=tmp+1; end if;else -a=1時依次輸出三角波下降沿if tmp="00000001"thentmp:="00000000"a:='0'el

17、se tmp:=tmp-1; end if;end if;end if;q<=tmp; -輸出信號q=tmpend process; end behav;5.3 方波產(chǎn)生程序設計 方波產(chǎn)生也是由64個采樣點組成， 64個采樣點的數(shù)據(jù)只有“低電平”和“高電平” 2種狀態(tài)。更改“低電平”和“高電平”出現(xiàn)的比例，可以達到調(diào)節(jié)占空比的目的。程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity square isport(clk,reset: in std_logic;q:out s

18、td_logic_vector(7 downto 0);end square;architecture behav of square issignal a:std_logic;beginprocess(clk,reset)variable tmp:std_logic_vector(7 downto 0);beginif reset='0'thena<='0' elsif rising_edge(clk) thenif tmp="11111111"thentmp:="00000000"else tmp:=tmp+1;

19、end if;if tmp<="10000000"thena<='1'elsea<='0'end if;end if;end process;process(clk,a)begin if rising_edge(clk)thenif a='1' thenq<="11111111"elseq<="00000000"end if;end if;end process;end behav; 5.4 鋸齒波產(chǎn)生程序設計 產(chǎn)生單調(diào)性鋸齒波，因此把地址數(shù)據(jù)進行左移2位，

20、結(jié)果送波形dac就可。 程序如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all; library altera_mf;use altera_mf.all; entity juxing isport(address: in std_logic_vector (9 downto 0);clock: in std_logic ;q: out std_logic_vector (9 downto 0);end juxing;architecture syn of juxing issignal sub_wire0: std_logic_vector (9 downt

21、o 0);component altsyncramgeneric (clock_enable_input_a: string;clock_enable_output_a: string;init_file: string;intended_device_family: string;lpm_hint: string;lpm_type: string;numwords_a: natural;operation_mode: string;outdata_aclr_a: string;outdata_reg_a: string;ram_block_type: string;widthad_a: na

22、tural;width_a: natural;width_byteena_a: natural);port (clock0: in std_logic ;address_a: in std_logic_vector (9 downto 0);q_a: out std_logic_vector (9 downto 0);end component; beginq <= sub_wire0(9 downto 0);altsyncram_component : altsyncramgeneric map (clock_enable_input_a => "bypass"

23、;,clock_enable_output_a => "bypass",init_file => "juxing.mif",intended_device_family => "cyclone ii",lpm_hint => "enable_runtime_mod=no",lpm_type => "altsyncram",numwords_a => 1024,operation_mode => "rom",outdata_aclr_a

24、 => "none",outdata_reg_a => "clock0",ram_block_type => "m4k",widthad_a => 10,width_a => 10,width_byteena_a => 1)port map (clock0 => clock,address_a => address,q_a => sub_wire0); end syn;5.5 頂層仿真設置波形選擇位，以方便控制各種波形的顯示。仿真結(jié)果如圖5-1所示。頻率控制字為2的仿真波形頻率控制

25、字為12的仿真波形頻率控制字為13的仿真波形圖5-1 波形仿真結(jié)果六、dac0832接口電路及程序設計6.1 dac0832接口電路設計 （1）fpga_io1-8向dac0832的數(shù)據(jù)輸入口（di0-di7）輸送數(shù)據(jù)。 （2）fpga_io9提供dac0832數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號ile，高電平有效。 （3）fpga_io10提供dac0832控制信號（cs：片選信號；xfer：數(shù)據(jù)傳輸控制信號；wr1、wr2：dac寄存器寫選通信號），低電平有效； （4）iout1、iout2、rfb與運算放大器lm324完成電流/電壓的轉(zhuǎn)換（dac0832屬電流輸出型）； （5）fpga與dac0832接

26、口電路原理圖如圖6-1所示。圖6-1 fpga與dac0832接口電路原理圖6.2 dac0832 接口程序設計根據(jù)圖6-2 dac0832 輸出控制時序，利用接口電路圖，通過改變輸出數(shù)據(jù)設計一個鋸齒波發(fā)生器。dac0832是8位的d/a轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換周期為1s。鋸齒波形數(shù)據(jù)可以由256個點構(gòu)成，每個點的數(shù)據(jù)長度為8位。又因為fpga的系統(tǒng)時鐘為50mhz，必須對其進行分頻處理,這里進行64分頻，得到的鋸齒波的頻率為762.9hz。 圖6-2 dac0832 輸出控制時序圖七、軟硬件調(diào)試7.1 軟件下載調(diào)試、仿真成功后進行硬件調(diào)試階段，在“assignment”菜單下選擇“device”項進行器

27、件選擇cyclone中的ep2c5t144c8器件，在“assignment”菜單下選擇”pins”項，進行管腳鎖定。引腳鎖定如圖7-1所示。圖7-1引腳鎖定 管腳鎖定后再次進行編譯，成功后選擇“tools”菜單下“programmer”項進行下載。7.2 硬件調(diào)試將fpga與d/a轉(zhuǎn)換模塊連好，接示波器進行觀察調(diào)試。波形輸出頻率應滿足 。圖7-2所示為頻率控制字是0ch的四種波形調(diào)試結(jié)果；圖7-3所示為頻率控制字是1ch的四種波形調(diào)試結(jié)果；圖7-4所示為頻率控制字是3ch的四種波形調(diào)試結(jié)果。 圖7-2 控制字為08h的四種波形 根據(jù)公式，求得輸出頻率為195.31hz，四種波形頻率與理論值基

28、本一致，但每個波形都有一定的誤差。 圖7-3 控制字為0ch的四種波形 根據(jù)公式，求得輸出頻率為292.968hz，四種波形頻率與理論值基本一致，但每個波形都有一定的誤差。圖7-4 控制字為0dh的四種波形 根據(jù)公式，求得輸出頻率為390.625hz四種波形頻率與理論值基本一致，但每個波形都有一定的誤差。八、心得體會 兩周的課程設計結(jié)束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。 課程

29、設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎 通過這次fpga課程設計，本人在多方面都有所提高。通過這次設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和知識進行設計工作的實際訓練從而培養(yǎng)和提高學生獨立工作能力，鞏固課程所學的內(nèi)容，掌握設計的方法和步驟，掌握設計的基本的技能懂得了怎樣分析，怎樣確定方案，了解基本結(jié)構(gòu)，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標準，同時各科相關的課程都有了全面的復習

30、，獨立思考的能力也有了提高。在這次設計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。在此感謝我們的老師.，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次設計的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細心指導。同時感謝對我?guī)椭^的同學們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學的友誼。 由于本人的設計能力有限，在設計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。九、參考文獻1朱小斌電子

31、測量儀器 北京：電子工業(yè)出版社，19962michael lauterbach artpin任意波形發(fā)生器在通訊測試中的應用電子產(chǎn)品世界，19973史海明個人儀器多功能任意波形發(fā)生器的研制 儀表技術，19884林青dds在數(shù)字調(diào)制中的應用無線電工程，20015張開增，張迎新，王尚忠高分辨率高穩(wěn)度寬帶函數(shù)發(fā)生器的研制 華北工學院學報6華清遠見嵌入式培訓中心fpga應用開發(fā)入門與典型實例北京：人民郵電出版社，2008十、附錄附錄1 源程序清單library ieee; -dds頂層設計use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.a

32、ll;entity dds_vhdl is port ( clk : in std_logic; selz: in std_logic_vector(1 downto 0); fword : in std_logic_vector(7 downto 0); -頻率控制字 pword : in std_logic_vector(7 downto 0); -相位控制字 fout : out std_logic_vector(9 downto 0) ); end;architecture one of dds_vhdl is component fre is port( clk1:in std_lo

33、gic; outclk:out std_logic); end component; component juxing isport(address: in std_logic_vector (9 downto 0);clock: in std_logic ;q: out std_logic_vector (9 downto 0);end component; component sanjiao isport(address: in std_logic_vector (9 downto 0);clock: in std_logic ;q: out std_logic_vector (9 dow

34、nto 0); end component; component fangbo isport(address: in std_logic_vector (9 downto 0);clock: in std_logic ;q: out std_logic_vector (9 downto 0); end component; component mux41 is port(sel:in std_logic_vector(1 downto 0);-定義輸入端口seld1,d2,d3,d4: in std_logic_vector(9 downto 0);-定義輸入端口d1,d2,d3,d4q: o

35、ut std_logic_vector(9 downto 0);-定義輸出端口 end component; component mux411 is port(sel:in std_logic_vector(1 downto 0);-定義輸入端口seld1,d2,d3,d4: out std_logic_vector(9 downto 0);-定義輸入端口d1,d2,d3,d4q: in std_logic_vector(9 downto 0);-定義輸出端口 end component; component reg32b port ( load : in std_logic; din : i

36、n std_logic_vector(31 downto 0); dout : out std_logic_vector(31 downto 0) ); end component; component reg10b port ( load : in std_logic; din : in std_logic_vector(9 downto 0); dout : out std_logic_vector(9 downto 0) ); end component; component adder32b port ( a : in std_logic_vector(31 downto 0); b

37、: in std_logic_vector(31 downto 0); s : out std_logic_vector(31 downto 0) ); end component; component adder10b port ( a : in std_logic_vector(9 downto 0); b : in std_logic_vector(9 downto 0); s : out std_logic_vector(9 downto 0) ); end component; component sin_rom port( address: in std_logic_vector(

38、9 downto 0); inclock: in std_logic ; q: out std_logic_vector(9 downto 0); end component; signal clk2 : std_logic; signal f32b : std_logic_vector(31 downto 0); signal d32b : std_logic_vector(31 downto 0); signal din32b : std_logic_vector(31 downto 0); signal p10b : std_logic_vector( 9 downto 0); signal lin10b : std_logic_vector( 9 downto 0); signal sin10b : std_logic_vector( 9 downto 0); signal