電子線路課程設計(優(yōu)秀)

1、 南 京 理 工 大 學電子線路課程設計實驗報告摘 要 本次實驗利用QuartusII7.0軟件并采用DDS技術、FPGA芯片和DA轉換器，設計了一個直接數(shù)字頻率信號合成器，具有頻率控制、相位控制、測頻、顯示多種波形等功能。 并利用QuartusII7.0軟件對電路進行了詳細的仿真，同時通過SMART SOPC實驗箱和示波器對電路的實驗結果進行驗證。 報告分析了整個電路的工作原理，還分別說明了設計各子模塊的方案和編輯、以及仿真的過程。并且介紹了如何將各子模塊聯(lián)系起來，合并為總電路。最后對實驗過程中產生的問題提出自己的解決方法。并敘述了本次實驗的實驗感受與收獲。關鍵詞 數(shù)字頻率信號合成器 頻率控

2、制 相位控制 測頻 示波器AbstractThis experient introduces using QuartusII7.0software, DDS technology，F(xiàn)PGA chip and DA converter to design a multioutput waveform signal generator in which the frequency and phase are controllable and test frequency,display waveform.It also make the use of software QuartusII7.0 a

3、 detailed circuit simulation, and verify the circuit experimental results through SMART SOPC experiment box and the oscilloscope.The report analyzes the electric circuit principle of work,and also illustrates the design of each module and editing, simulation, and the process of using the waveform to

4、 testing each Sub module. Meanwhile,it describes how the modules together, combined for a total circuit. Finally the experimental problems arising in the process of present their solutions. And describes the experience and result of this experiment.Keywords multioutput waveform signal- generator fre

5、quency controllable phase controllable test frequency oscilloscope目 錄一、實驗目的與要求.4二、電路工作原理4三、子模塊設計原理.83.1 分頻電路.83.2頻率預置和調節(jié)電路.113.3累加寄存電路.133.4相位控制電路.153.5波形存儲電路.153.6測頻電路.183.7譯碼顯示電路.203.8波形選擇電路.223.9 節(jié)省ROM的設計233.10總電路.253.11AM調制25四、調試.29五、編程下載.29六、波形結果.29七、結論.32八、實驗小結.32參考文獻.33一實驗目的與要求本實驗使用DDS的方法設計一個

6、任意頻率的正弦信號發(fā)生器，要求具有頻率控制、相位控制、測頻、切換波形，動態(tài)顯示以及使能開關等功能。利用QuartusII7.0完成設計、仿真等工作。并利用SmartSOPC實驗箱實現(xiàn)電路，用示波器觀察輸出波形。基本要求如下：1、 利用QuartusII軟件和SmartSOPC實驗箱實現(xiàn)DDS的設計。2、 DDS中的波形存儲器模塊用Altera公司的Cyclone系列FPGA 芯片中的RAM實現(xiàn)，RAM結構配置成4096×10類型。3、 具體參數(shù)要求：頻率控制字K取4位；基準頻率fc=1MHZ，由實驗板上的系統(tǒng)時鐘分頻得到。4、 系統(tǒng)具有清零功能。5、利用實驗箱上的D/A轉換器件將RO

7、M輸出的數(shù)字信號轉換為模擬信號，能夠通過示波器觀察到輸出波形。6、通過開關（實驗箱上的Ki）輸入DDS的頻率和相位控制字，并能用示波器觀察加以驗證。提高部分要求：1、 通過按鍵（實驗箱上的Si）輸入DDS的頻率和相位控制字，以擴大頻率控制和相位控制的范圍；(注意：按鍵后有消顫電路)2、 能夠同時輸出正余弦兩路正交信號；3、 在數(shù)碼管上顯示生成的波形頻率；4、 充分考慮ROM結構及正弦函數(shù)的特點，進行合理的配置，提高計算精度；5、 設計能輸出多種波形（三角波、鋸齒波、方波等）的多功能波形發(fā)生器；6、 在DDS的基礎上，完成AM調制；二電路工作原理（1）DDS概念直接數(shù)字頻率合成器（Direct

8、Digital Frequency Synthesizer）是一種基于全數(shù)字技術，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術。（2）DDS的組成及工作原理頻率預置與調節(jié)電路 作用：實現(xiàn)頻率控制量的輸入；不變量K被稱為相位增量，也叫頻率控制字。累加器  相位累加器的組成= N位加法器+N位寄存器；相位累加器的作用：在時鐘的作用下，進行相位累加。 應注意：當相位累加器累加滿量時就會產生一次溢出，完成一個周期性的動作。DDS的輸出頻率為：f0=fCK/2N ；DDS輸出的最低頻率：K=1時，fC/2N DDS輸出的最高頻率：Nyquist采樣定理決定，即fC/2；K的最大值為2N-1

9、結論：只要N足夠大，DDS可以得到很細的頻率間隔。 要改變DDS的輸出頻率，只要改變頻率控制字K即可。 波形存儲器作用：進行波形的相位幅值轉換。原理： ROM的N位地址 把0O360O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 把2N個樣值的幅值量化為D位二進制數(shù)據(jù)(有符號數(shù))D/A轉換器D/A轉換器的作用：把已經合成的正弦波的數(shù)字量轉換成模擬量。 低通濾波器 D/A轉換器的作用：濾除生成的階梯形正弦波中的高頻成分，將其變成光滑的正弦波。 時鐘脈沖發(fā)生電路模塊提供電路各模塊工作所需要的時鐘脈沖;本次設計的電路需要將振蕩源提供的48MHZ的脈沖頻率分為：1MHz,1KHz,1Hz,0

10、.5Hz。顯示電路：顯示電路輸出波形的頻率以及頻率和相位控制字。測頻模塊：測試電路輸出的各種信號的頻率。ROM模塊預先存儲了正弦波與余弦波以及三角波，鋸齒波，方波等的二進制幅值且存儲單元有212=4096，每個單元存儲的幅值大小用10位二進制數(shù)來表示。頻率和相位均可控制的具有正弦和余弦輸出的DDS核心單元電路示意圖如下圖所示： 每來一個CLOCK，加法器就將頻率控制字fwrod與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，相加的結果又反饋送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此，相位累加器在每

11、一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加以此，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，這樣就可把存儲在波形存儲器內的波形抽樣值進行找表查出，完成相位到幅值的轉換。由于相位累加器為N位，相當于把正弦信號在相位上的精度定為N位，所以分辨率為1/2N。若系統(tǒng)時鐘頻率為fc，頻率控制字fword為1，則輸出頻率為fOUT=fC/2N，這個頻率相當于"基頻"。若fword為K，則輸出頻率為：fout=K* fC/2N當系統(tǒng)輸入時鐘頻率fC不變時，輸出信號的頻率由頻率控制字K所決定。由上式可得：K=2N*fout/fC，其中，K為頻率字，注意K要取整，會有誤差。三、各子模塊設計3

12、.1分頻電路本實驗中使用的 SmartSOPC 實驗系統(tǒng)給出的振蕩頻率源為 48MHz ，因此我們需要使用分頻電路得到作為直接數(shù)字頻率合成器電路所使用的各種頻率脈沖。累加器電路中的寄存時鐘信號、 ROM 的 CLOCK 使用 1MHz 脈沖頻率 ，動態(tài)譯碼顯示電路使用 1KHz 脈沖頻率，頻率、相位控制電路、模16電路使用 1Hz脈沖頻率，測頻電路使0.5Hz。所以我們進行如下電路的設計：（1）2分頻電路二分頻電路由一個D觸發(fā)器構成，原理圖如下：二分頻器仿真波形如下圖：（2）48分頻電路3分頻電路由74160構成一個模3計數(shù)器，原理圖如下：8分頻電路由三個2分頻電路串聯(lián)而成，24分頻電路由3分

13、頻器和8分頻器串聯(lián)而成，48分頻電路由24分頻器和2分頻器串聯(lián)而成，原理圖如下：48分頻電路仿真波形如下：（3）1000分頻電路10分頻電路由74163構成一個模10計數(shù)器，并實現(xiàn)占空比為50%，原理圖如下：10分頻電路仿真波形如下：1000分頻電路由三個10分頻器串聯(lián)而成，原理圖如下：（4）脈沖發(fā)生總圖封裝如下：封裝圖各引腳說明：Input：48MHZ：接時鐘信號輸入端（即48MHZ）output：1/2HZ：引出0.5HZ信號1HZ：引出1HZ信號1KHZ：引出1000HZ信號1MHZ：引出1MHZ信號3.2頻率預置和調節(jié)電路頻率預置與調節(jié)電路由1片模16的74161計數(shù)器組成，1Hz信號

14、輸入讓其變化。該模塊有清零和保持端，通過開關控制，以便計數(shù)到需要值時保持或清零。頻率頻率預置與調節(jié)電路實現(xiàn)頻率控制量（步長）的輸入。其中，K被稱為相位增量，也叫頻率控制字。DDS的輸出頻率表達式為fout=K*fc/2N，當K=1時，DDS輸出最低頻率為fc/2N，而DDS的最高輸出頻率由Nyquist采樣定理決定，即fc/2，也就是說K的最大值為2N-1。電路圖如下：仿真波形如下：封裝如下：封裝圖各引腳說明：Input：baochi：接保持開關qingling：接清零開關1hz：接1hz脈沖output：k3.0：計數(shù)器的輸出3.3累加寄存電路相位累加器結構圖如下圖所示：相位累加器由12位加

15、法器與12位寄存器級聯(lián)構成。每來一個時鐘脈沖，加法器將頻率控制字K與寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，再把相加后的結果送至寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。寄存器將加法器的上一個時鐘作用后所產生的相位數(shù)據(jù)反饋至加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘作用下繼續(xù)與頻率控制字進行相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，進行相位累加。當相位累加器累加滿量時就會產生一次溢出，完成一個周期性的動作。（1）12位加法器12位加法器由3片7483全加器級聯(lián)而成，將頻率控制字K與寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，原理圖如下：封裝如下：封裝圖各引腳說明：Input：a11.0：上一個累加結果輸入 k3.0：頻率控制字輸入output：s1

16、1.0：加法器的輸出（2）12位寄存器寄存器電路由3片74175構成，以達到寄存、累加的目的。原理圖如下：封裝如下：封裝圖各引腳說明：Input：CLR：清零端 IN1MHZ：1MHZ脈沖輸入S11.0：寄存數(shù)據(jù)輸入EN：使能端output：qk11.0：寄存器的輸出3.4相位控制電路相位控制模塊實際上是用一個12位加法器將之前累加器的輸出結果的高四位與四位相位控制字相加，從而構成相位控制模塊。由相位控制字控制相位的高4位，使相位較大幅度的變化，從而達到改變相位的目的。原理圖如下：封裝如下：封裝圖各引腳說明：Input：a11.0：接寄存器的輸出 p11.0：相位控制輸入output：sp11

17、.0：相位控制器的輸出3.5波形存儲電路進行波形的相位幅值轉換原理圖如下圖所示：ROM的N位地址把0O360O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)位則2N個樣值的幅值量化為D位二進制數(shù)據(jù)。這樣2N個樣值的正弦值以D位二進制數(shù)值固化在ROM中。按照同樣的方法，在ROM里存儲相應波形的幅度量化序列即可得到余弦波ROM、三角波ROM、鋸齒波ROM、方波ROM。正弦波函數(shù)：存儲數(shù)據(jù)=round(sin(n*2/4096)*512+512余弦波函數(shù)：存儲數(shù)據(jù)=round(cos(n*2/4096)*512+512 round(n/2)+512,0n1023三角波函數(shù)：存儲數(shù)據(jù)= 102

18、4-round(n/2)+512,1023<n3071 round(n/2)-2048+512，3071<n4095鋸齒波函數(shù)：存儲數(shù)據(jù)=round(n/4)方波函數(shù)：存儲數(shù)據(jù)= 1023，0n2047 0,2047<n4095本實驗中，我使用Matlab 編程求出正弦、余弦、方波、鋸齒波和三角波的波形數(shù)據(jù)（4096 個），將數(shù)據(jù)導入到Excel 的工作表中，最后建立對應波形的*.mif 文件并經過一些設置構建出ROM。以正弦波為例：Matlab程序如下：clearclct=2*pi/4096;k=0:t:2*pi;y=round(511*sin(k)+512);z=y

19、9;matlab編程結果如下：然后將生成的數(shù)據(jù)復制到excel中。mif文件的生成：新建Memory Initialization file后會生成一個類似Excel的表單，我們只需把EXCEL生成的4096個幅值復制到這個表單中。如下圖：建立ROM封裝電路步驟如下：1、 新建Block Diagram/Schematic File文件，在名稱欄輸入lpm_rom，并點擊OK；2、 在輸出文件類型中選擇VHDL，填寫對應ROM文件的文件名，點擊Next；3、 Wide和Memeory分別設置為10bit和4096words，點擊Next；4、 在File name中選擇對應*.mif文件路徑，

20、點擊Next,再點擊Finish，結束創(chuàng)建。以上5種不同波形的ROM的創(chuàng)建方式均相同，可以得到封裝好的ROM如下圖所示： 附上其余波形的matlab程序：余弦clearclct=2*pi/4096;k=0:t:2*pi;y=round(511*cos(k)+512);z=y'三角clearclcn=0:1:1023;y1=round(n/2)+512;z1=y1'n=1024:1:3071;y2=1024-round(n/2)+512;z2=y2'n=3072:1:4095;y3=round(n/2)-2048+512;z3=y3'方波clearclcfor n

21、=0:1:2047;y1=1023;z1=y1'endfor n=2048:1:4095;y2=0;z2=y2'end3.6測頻電路（1）設計原理測頻就是計算1秒鐘內脈沖的個數(shù)。我們利用計數(shù)器和鎖存器實現(xiàn)這一功能。由于累加器以頻率控制字K為間隔,當累加器滿量時就會產生一次溢出,完成一次周期性的動作,這個周期也就是DDS信號的一個頻率周期,所以將累加器的最高位作為測頻電路技術器的脈沖。將0.5Hz脈沖送入鎖存器的時鐘端,0.5Hz反相延時后的脈沖送入計數(shù)器的清零端。這樣就使計數(shù)器在2s的脈沖周期內,1s內清零,1s內計數(shù)。由于鎖存器的脈沖和計數(shù)器的脈沖是反相的,且有一定的延時,所

22、以當鎖存器有效脈沖來到時,計數(shù)器是清零狀態(tài),鎖存器就鎖存前1s內計數(shù)器的計數(shù)信號。這樣就完成了1s內的脈沖計數(shù),再將鎖存器的輸出送入譯碼顯示電路,就可以在數(shù)碼管上顯示波形頻率了。（2）原理圖如下：原理圖如下：封裝如下：封裝圖各引腳說明：Input：1/2hz：0.5hz脈沖輸入 q9：累加器的最高位output：a10.3：所測頻率的最低位b10.3：所測頻率的次低位c10.3：所測頻率的次高位d10.3：所測頻率的最高位3.7譯碼顯示電路為使譯碼顯示出頻率控制字和相位控制，所以我用74160設計了一個模16的十進制計數(shù)器，以輸?shù)阶g碼顯示電路中顯示。原理圖如下： 此次設計的顯示電路為動態(tài)顯示電

23、路即使用一片譯碼器，輪流掃描顯示相位字以及輸出頻率。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，頻率稍高就感覺不到輪流顯示的現(xiàn)象，與同時顯示的結果一致。對于動態(tài)顯示，設計思想如下：頻率顯示、頻率字和相位字的顯示共8位，一共8路信號。因此可以使用八選一數(shù)據(jù)選擇器依次選擇八路信號單獨通過譯碼器7447，并使用3-8譯碼器控制對應的數(shù)碼管顯示。而對于顯示信號的輸出，只需要使用一個模8計數(shù)器不斷的循環(huán)計數(shù)就可以簡單的實現(xiàn)控制。電路圖如下：封裝如下：封裝圖各引腳說明：Input：a0.3、b0.3、c0.3、d0.3：頻率顯示的輸入pl3.0、ph3.0：頻率控制字的輸入xl3.0、xh3.0：相位字的輸入output：d

24、ig0.7：七段管的位選seg0.6：顯示譯碼管的輸出3.8波形選擇電路由波形存儲器ROM輸出的量化的數(shù)字信號需經過D/A轉換器，再經過低通濾波器后才能在示波器上顯示出連續(xù)的波形。用5片雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74153構成波形選擇電路，如下圖所示：封裝如下：封裝圖各引腳說明：Input：a：接開關控制1b：接開關控制2sin9.0：sinROM輸入sj9.0：sjROM輸入jc9.0：jcROM輸入fb9.0：fbROM輸入output：y9.0：接D/A輸出3.9 節(jié)省ROM的設計節(jié)省ROM 空間電路實現(xiàn)用四分之一的波形數(shù)據(jù)產生整個周期的波形的電路。具體實現(xiàn)方法是：不妨以正弦波為例，將0 pi/

25、 2波形數(shù)據(jù)（1024 個）存入ROM中，為了由僅有的1/4 波形產生整個周期的波形，采用地址取反和輸出取反的方法，最后通過選擇電路將4 個不同的1/4 波形組合起來產生一個完整周期的正弦波。取反電路：地址取反：輸出取反：地址輸出取反：節(jié)省ROM電路：因為一開始輸出波形有毛刺，所以我設計了兩個寄存器來消除毛刺。3.10總電路附加電路3.11 AM調制通信理論中將信號調制定義為調制信號對載波的幅度、頻率和相位進行變換。AM 即標準調制信號，除了來自消息的基帶信號外，還包含了直流信號，它是調制后輸出信號既含載波分量又含有邊帶分量的標準調幅信號。在標準幅度調制器(AM)中，設載波信號為：調制信號為：

26、則標準調幅波信號為：基于上述表達式的數(shù)學模型如下圖：AM 電路的結構圖如下所示:（1）模16計數(shù)器：（2）調制信號的選擇：（3）載波信號（cos）（4）乘法器（5）加法器（6）測頻及譯碼顯示：（7）AM調制總電路四、調試選擇“Processing->start compilation”進行全編譯，無錯誤。五、編程下載打開實驗箱開關，點擊Quartus II工具欄中的按鈕，在“Program/configure”列下的復選框中大勾后，點擊“Start”按鈕往芯片中下載程序。下載程序完成后，操作實驗箱上的各開關，可實現(xiàn)設計的各種功能。六、波形結果正余弦波形：三角波波形：鋸齒波波形：方波波形：

27、余弦調制波形：三角波調制波形：鋸齒波調制波形：方波調制波形：七、結論該程序能實現(xiàn)在示波器上各種波形的顯示，并且通過開關能夠正確改變波形的幅度和相位。八、實驗小結因為有了上一周剛剛做過的EDA的實驗，我們在軟件使用和電路設計上都有了很多經驗，所以本次實驗完成速度較快，并且做了很多附加電路。當然，在本次實驗過程中我們也還是遇到了一些問題，具體如下：（1） 譯碼顯示時，想顯示出頻率控制字和相位控制字，但發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)亂碼。查閱資料后發(fā)現(xiàn)我的模16計數(shù)器是二進制的，要想輸給顯示譯碼器，首先要轉碼變成十進制的計數(shù)器。所以我做了一個和頻率控制同步的十進制計數(shù)器來解決此問題。（2） 生成MIF文件的時候遇到了一些麻煩，經過不斷查閱資