南理工DDS實驗報告含AM調(diào)制等全部功能

[]南京理工大學DDS實驗報告——直接數(shù)字頻率合成器學號姓名指導老師同組人完成時間摘要本文探討了利用QuartusII設計一個具有清零、使能、頻率控制、相位控制、測頻、AM調(diào)制、輸出多種波形(包括正余弦、三角波、鋸齒波、方波)、經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換之后能在示波器上顯示的直接數(shù)字頻率合成器。本文分析了DDS的設計原理和整個電路的工作原理，介紹了ROM查找表設計和相位累加器設計，還分別說明了各子模塊的設計原理和調(diào)試、仿真、編程下載的過程。關鍵詞：DDSROM輸出波形頻率相位控制AbstractThereporttellsDirectdigitalsynthesizercancontrolusing、reset、changefrequencyandphase、outputvariouswaveform(includingsine(cosine)，trianglewave，sawtooth，squarewaveform)byusingQuartusIItodesignandafterconversionafteralsodisplayedontheoscilloscope.Also，itanalyzesthetheoryanddesignaboutdirectdigitalsynthesize(DDS)andanalyzedtheprincipleofallworkandexplainedthedesigningprincipleofdifferentpartsseparatelyanddescribestheprincipleandfeaturesofDDS.TherealizingmethodofROMfinding-tableandphasecounterandintroducedindetail.Atthesametimeitintroducedthedebugging，simulating，compiling，programming.Keywords:DDSROMoutputvariouswaveformfrequencyandphase目錄設計要求…………………5整體電路的設計原理……………………5各子模塊設計原理………61．分頻器…………62．頻率預置電路…………………93．累加器………………………104．加法器………………………105．波形存儲器RAM……………116．測頻電路……………………137．譯碼電路……………………158．顯示電路……………………169．精度提高電路………………1710．AM調(diào)制電路………………18（1）AM調(diào)制原理…………………18（2）AM調(diào)制電路設計……………18（3）AM調(diào)制電路子模塊…………19總電路………………………22實驗波形……………………22調(diào)試與編程下載…………25結(jié)論…………27實驗中遇到的問題和思考…………………27實驗體會與心得……………29參考文獻…………………29一、設計要求利用QuartusII軟件和SmartSOPC實驗箱實現(xiàn)DDS的設計；DDS中的波形存儲器模塊用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片中的ROM實現(xiàn)，ROM結(jié)構(gòu)配置成4096×10類型；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；系統(tǒng)具有清零和使能的功能；利用實驗箱上的D/A轉(zhuǎn)換器件將ROM輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，能夠通過示波器觀察到正弦波形；通過開關控制改變DDS的頻率和相位控制字，并能用示波器觀察加以驗證；在數(shù)碼管上顯示生成的波形頻率；充分考慮ROM結(jié)構(gòu)及正弦函數(shù)的特點，進行合理的配置，提高計算精度；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；10)考慮節(jié)省ROM空間的設計，例如只提供四分之一的波形或者半波形。11)基于DDS的AM調(diào)制器的設計。二、整體電路的設計原理AM調(diào)制電路AM調(diào)制電路圖1:電路原理框圖整體原理概述：圖1很好的顯示了直接數(shù)字頻率合成器內(nèi)部包含的電路和彼此之間的關系，方框表示分電路，箭頭表示功能和走向。DDS的基本結(jié)構(gòu)主要由相位累加器、相位調(diào)制器、正弦波數(shù)據(jù)表(ROM)、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。下面將簡要地簡述直接數(shù)字頻率合成器的工作原理。先由頻率分頻電路給出電路基本的時鐘信號和1KHZ、1MHZ等信號，將時鐘信號CLK送至頻率預置電路和相位預置電路，分別輸出頻率預置字和相位預置字，頻率預置字送入累加器進行累加，時鐘信號每到來一次進行一次累加，累加后送入加法器與相位預置字在加法器中進行相加，其輸出的數(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(nèi)的波形抽樣值進行找表查出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過輸出選擇電路，就能在開關控制下，得到所要的波形的大致輪廓，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波器使得數(shù)字量變?yōu)槟M量并將波形變得平滑，最終輸出理想的波形。下面是DDS的工作流程圖和波形的對應變化：圖2:DDS基本流程圖除了基本電路外，還附加了測頻電路和AM調(diào)制電路等等，具體子模塊原理將在第三部分作詳細闡述。三、各子模塊設計原理1.分頻器（1）48分頻48分頻電路由2個74160構(gòu)成，由于74160為同步置數(shù)計數(shù)器，當高位為0100，低位為0111，即47時傳遞一個置數(shù)信號，同時用非門傳遞輸出進位信號。圖3：48分頻電路輸出波形如圖：圖4：48分頻電路波形封裝為：（2）1000分頻10分頻電路由1個74160構(gòu)成，由于0000到0101的一個計數(shù)周期內(nèi)QC只產(chǎn)生一次變化，所以輸出QC即可得到10分頻。1000分頻由3個10分頻級聯(lián)而成。圖5：1000分頻電路封裝為：（3）2分頻用一個D觸發(fā)器即可容易地搭建2分頻電路。圖6：2分頻電路封裝后：（4）總分頻圖7：總分頻電路封裝后：2.預置和控制電路（1）頻率預置電路頻率預置電路由74161設計構(gòu)成，輸入1HZ信號進行模16計數(shù)。由開關控制清零和使能端，實現(xiàn)清零和保持的功能，輸出作為頻率控制字低四位，高八位置零，輸入累加器進行累加。圖8：頻率預置電路封裝后：（2）相位預置電路構(gòu)成和頻率預置相同，也具有清零和保持的功能，輸出相位控制字控制相位的高位，使相位較大幅度的變化，從而達到改變相位的目的。圖9：相位預置電路封裝后：3.累加器累加器由四片7483和四片74175級聯(lián)構(gòu)成，可進行14位累加運算。每到來一個時鐘脈沖，加法器將低四位的頻率控制字K和寄存器寄存的前一次的累加值進行相加，相加后再輸入寄存器，實現(xiàn)了累加運算。當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。取前12位最高位Q[12]作為overflow量輸出給之后的測頻電路。圖中除了前12位的基本累加外，還輸出Q[13]、Q[14]，這兩位作為波形精確電路的選擇信號，控制了四分之一精確波形的變換。圖10：累加器電路封裝為：4.加法器加法器由3片7483級聯(lián)構(gòu)成，能夠進行12位的加法運算，作用是將累加器的輸出值與相位控制字進行相加，從而改變輸出信號的相位。為了能大幅度地改變相位，輸入的相位控制字與累加器輸出的高四位進行相加。圖11：加法器電路封裝后：5.波形存儲器RAM（1）利用Excel計算波形數(shù)據(jù)正弦：y=ROUND(511*SIN(2*PI()*x/4096),0)余弦：y=ROUND(511*COS(2*PI()*x/4096),0)三角波：0到1023:y=ROUND(x/2,0)1024到3072：y=ROUND(1024-x/2,0)3073到4095：y=ROUND(-2048+x/2,0)鋸齒波：y=ROUND(x/4,0)方波：0到2047：y=5112048到4095：y=-511四分之一正弦波形：y=ROUND(511*SIN(PI()*x/8192),0)圖12：波形數(shù)據(jù)（2）生成MIF文件選擇NEWOtherfilesMemoryInitializationFile；填入RAM結(jié)構(gòu)配置參數(shù)：數(shù)據(jù)個數(shù)為4096，數(shù)據(jù)寬度為10bits，配置成的類型。圖13：波形存儲器結(jié)構(gòu)配置參數(shù)再將Excel中的數(shù)據(jù)復制到mif文件中。圖14：填入mif文件（3）在元器庫中選取LPM-ROM，設置ROM的信息，數(shù)據(jù)寬度為10bits，數(shù)據(jù)個數(shù)為4096；設置ROM為寄存器輸出，不需要時鐘和異步清零信號；指定ROM的初始化數(shù)據(jù)來源，選擇剛剛所生成的mif文件。然后點擊“finish”即可生成ROM單元了。將存儲正弦波、余弦波、三角波、鋸齒波、方波以及拓展設計的四分之一正弦波的ROM單元與lpm_mux選擇器相聯(lián)，構(gòu)成3開關控制的五選一波形選擇電路。圖15：波形選擇電路封裝為：6.測頻電路由先前電路可知，累加器以頻率控制字K為間隔進行累加，每當累加滿時就產(chǎn)生一次溢出，完成一次周期性動作，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overflow。測頻電路由三片計數(shù)器74160和三片寄存器74151構(gòu)成。先引入總分頻電路產(chǎn)生的0.5HZ時鐘信號，送入74160的清零端，這樣就能讓計數(shù)器在2秒的時間周期內(nèi)，高電平的1秒內(nèi)進行計數(shù)操作，低電平的1秒內(nèi)進行清零操作。又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1秒內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)信號。這樣就完成了1秒內(nèi)的脈沖計數(shù),再將鎖存器的輸出送入譯碼顯示電路,就可以以2HZ的頻率在數(shù)碼管上顯示波形頻率的變化了。下面是測頻電路原理圖：待測信號反向延時單位時鐘單位時鐘待測信號反向延時單位時鐘單位時鐘圖16：測頻電路原理圖圖17：測頻電路封裝為：7.譯碼電路 由于數(shù)碼管顯示電路必須輸入8421BCD碼才能正常顯示，所以要將頻率控制字和相位控制字先轉(zhuǎn)化為8421BCD碼再輸入顯示電路。譯碼電路由兩片74185和4個邏輯門電路構(gòu)成。以下是2-10進制轉(zhuǎn)換表2進制數(shù)十進制個位十進制十位000000000000000100010000001000100000001100110000010001000000010101010000011001100000011101110000100010000000100110010000101000000001101100010001110000100001110100110001111001000001111101010001圖18：譯碼電路封裝為：8.顯示電路本實驗采用了7個7段數(shù)碼管顯示，采用動態(tài)顯示的方法，這就需要對7個數(shù)碼管輪流譯碼顯示，由于人眼的延遲效應，只要保證足夠高的頻率，就能實現(xiàn)7個數(shù)碼管的“同時顯示”。先使用模8計數(shù)器產(chǎn)生地址碼，輸入信號頻率為1hz。再用8選1數(shù)據(jù)選擇器74151通過模8計數(shù)器產(chǎn)生的地址碼將要顯示的某一位的信號送到顯示譯碼器7447，實現(xiàn)了段選。然后通過一個譯碼器輸出要顯示的數(shù)碼管的EN端的高電平，實現(xiàn)了位選。這樣便實現(xiàn)了動態(tài)顯示。圖19：模8計數(shù)器電路封裝為：圖20：顯示電路封裝為：9.精度提高電路提高精度的要求是在保持數(shù)據(jù)個數(shù)（4096）不變的前提下，提高同一個波形的樣本個數(shù)，使得輸出波形更加精確，更接近理想波形。根據(jù)要求可設計出精度提高電路的原理，對于正弦波，改變同樣配置的波形存儲器的存儲內(nèi)容，讓其只存儲前四分之一個周期的內(nèi)容，再通過波形翻折電路使得在不同的時間里輸出對應翻折變換后的波形，從而完成整個正弦波波形的顯示，也就是說通過犧牲4倍的頻率來換取4倍的精度。接下來分析波形翻折電路的原理：前四分之一波形保持不變；第二個四分之一波形對輸入的地址取反，完成了一個橫向翻折變換；第三個四分之一波形對輸出的數(shù)值取反，完成了一個縱向翻折變換；第四個四分之一波形既對地址取反也對數(shù)值取反，完成了一個中心對稱變換，這樣完整正弦信號的四個部分都得到了。最后，要在不同的時間段內(nèi)輸出對應的波形，這里依舊用到了lpm_mux選擇單元，通過先前的累加電路得到的S[13]和S[14]控制完成波形的4選1操作。圖21：地址取反電路封裝為：數(shù)值取反電路與地址取反電路類似，不再贅述。圖22：精度提高電路封裝為：10.AM調(diào)制電路（1）AM調(diào)制原理通信理論中將信號調(diào)制定義為調(diào)制信號對載波的幅度、頻率和相位進行變換。AM即標準調(diào)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(diào)制后輸出信號既含載波分量又含有邊帶分量的標準調(diào)幅信號。在標準幅度調(diào)制器(AM)中，設載波信號為：調(diào)制信號為：則標準調(diào)幅波信號為：（2）AM調(diào)制電路設計AM調(diào)制器主要由兩個乘法運算電路和一個加法運算電路組合而成。其中，第一個乘法電路完成DDS調(diào)制信號與調(diào)幅指數(shù)的相乘，再通過加法電路與量化值（此處設為1）的相加，最終和DDS載波信號通過第二個乘法電路完成相乘計算，進而實現(xiàn)AM調(diào)制器的功能，具體框圖如下：圖23：AM調(diào)制原理圖（3）AM調(diào)制電路子模塊①調(diào)節(jié)電路AM調(diào)制能幅度mA、載波頻率和調(diào)制波頻率進行調(diào)節(jié)，這里補充的調(diào)節(jié)電路負責調(diào)節(jié)幅度mA和載波的頻率，其單個調(diào)節(jié)電路與先前的頻率預置電路相同，不再贅述。圖24：調(diào)節(jié)電路②調(diào)制電路調(diào)制電路是AM調(diào)制電路中關鍵的子模塊，由原理圖可以分析出，它由兩個乘法器lpm_mult0和lpm_mult1以及一個加法器lpm_add_sub0級聯(lián)構(gòu)成，第一個乘法器將調(diào)制信號與調(diào)制度相乘送給加法器，加法器對調(diào)制信號進行量化，第二個乘法器將載波信號與量化后的調(diào)制信號相乘，得到最終調(diào)制好了的信號進行輸出。由標準調(diào)幅波信號：可知：為了讓AM信號[+]在任何時候都大于0，不產(chǎn)生過調(diào)失真，要加上“量化值1”，經(jīng)過分析，這里的量化值應當取幅度指數(shù)*mA可能取到的最大值，經(jīng)過理論分析與實際觀察的反復比對，最終取了7665。圖25：調(diào)制電路封裝為：③譯碼、顯示電路在進行AM調(diào)制時，DDS能在數(shù)碼管上由低到高顯示幅度調(diào)節(jié)度、調(diào)制波頻率控制字、載波頻率控制字，這里用到的譯碼電路與顯示電路和基本電路里的類似，如圖：圖26：譯碼顯示電路④AM開關電路由于本實驗中DDS主要分為基本功能和AM調(diào)制功能兩種，所以選用K8進行功能的切換。切換的原理是不改變電路運行而對輸出進行選擇，由于兩種功能都需要在示波器上同時顯示2個波形以及在數(shù)碼管上顯示相應的數(shù)字，所以使用4個lpm_mux選擇單元進行選擇輸出。圖27：AM開關電路封裝為：AM調(diào)制電路依舊具有波形選擇功能，引用前述波形選擇電路對調(diào)制信號進行波形的切換，波形選擇電路不再列入AM調(diào)制電路模塊以及AM調(diào)制總圖中。綜合上述4個模塊以及載波的累加器和存入正弦載波數(shù)據(jù)的ROM，進行連接，得到AM調(diào)制電路總圖：圖28：AM調(diào)制電路四、總電路圖29：總電路五、實驗波形1.基本電路波形（1）正弦波圖中紅色為余弦波，用于做相位變化對照；這樣也實現(xiàn)了同時輸出正余弦兩路正交信號的功能。圖30：正交波形（2）精確后的正弦波由原理可知，精確后一個周期內(nèi)的取樣點數(shù)增加為原先的四倍，波形頻率縮減為原來的四分之一，從實驗波形中可以明顯的觀察到這一變化。圖31：精確后的正弦波形（3）三角波圖32：三角波波形（4）鋸齒波圖33：鋸齒波波形（5）方波圖34：方波波形1.AM調(diào)制電路波形（1）AM調(diào)制正弦波圖35：AM調(diào)制正弦波波形（2）AM調(diào)制鋸齒波圖36：AM調(diào)制鋸齒波波形1圖37：AM調(diào)制鋸齒波波形2六、調(diào)試與編程下載安裝驅(qū)動程序后，選擇“Processing-startcomplication”進行全編譯，編譯通過后要進行管腳分配，選擇“AssignmentsPins”，在打開的對話框中的“Location”欄中選擇相應的管腳填入，并將未用到的管腳置為三態(tài)，最后將程序下載到SmartSOPC實驗系統(tǒng)中運行，檢驗結(jié)果是否正確。圖38：安裝驅(qū)動程序1圖39：安裝驅(qū)動程序2圖40：選擇對應管腳圖41：開始運行七、結(jié)論1．實驗中遇到的問題和思考▲問題1：對ROM的精度提高和節(jié)省ROM分別的原理如何，有何區(qū)別？思考：提高精度的原理是改變同樣配置的波形存儲器的存儲內(nèi)容，讓其只存儲前四分之一個周期的內(nèi)容，再通過波形翻折電路使得在不同的時間里輸出對應翻折變換后的波形，從而完成整個正弦波波形的顯示，也就是說通過犧牲4倍的頻率來換取4倍的精度。而節(jié)省ROM的原理則不同，它將ROM結(jié)構(gòu)配置的4096個數(shù)據(jù)個數(shù)改為1023個，而依舊存儲正弦波形的一個完整周期，換言之，它通過犧牲4倍的精確度來節(jié)省4倍的存儲空間。根據(jù)這個思路，可以設計出既節(jié)省ROM空間又不影響精度的ROM，只需要將二者組合，將節(jié)省的ROM中1024個數(shù)據(jù)單元填入正弦波形的前四分之一即可。4095一般的ROM：4095一般的ROM：4095精度提高的ROM：4095精度提高的ROM：40951023節(jié)省后的ROM：40951023節(jié)省后的ROM：▲問題2：波形數(shù)據(jù)的求法有哪些？思考：除了用excel計算并列出波形參數(shù)外，還可以在MATLAB中調(diào)用函數(shù)求得或通過C++編程得到?！鴨栴}3：將Excel中的正、余弦波形數(shù)據(jù)填入mif文件時，無法填入是為何？思考：由于ROM配置設置的數(shù)據(jù)寬度是1024，也就是說有符號波形數(shù)據(jù)只能從-511到511，而即便函數(shù)正確，Excel也會出現(xiàn)-512和512的數(shù)據(jù)導致超出范圍，這時只要將這些數(shù)據(jù)點改為511即可。▲問題4：對于AM調(diào)制電路的實驗波形而言，需要注意什么？如何改進？思考：為了貼近實際中AM調(diào)制的情況，應當將調(diào)制波頻率調(diào)小，載波頻率調(diào)大，使得調(diào)制波的一個周期內(nèi)包含更多的已調(diào)波，直到已調(diào)波的包絡與調(diào)制波波形近乎重合，才是一個比較理想的狀態(tài)。從實驗波形可以看出，雖然幅度較為準確，但依舊存在部分過調(diào)失真，量化值還需要修正?！鴨栴}5：調(diào)試與仿真中出現(xiàn)的無反應和無波形的情況是為何？思考：由于調(diào)試與仿真是常用的方法，所以這也是一個很常見的問題，很多同學都是歪打正著出來的，經(jīng)過不斷摸索發(fā)現(xiàn)，這種問題來源于調(diào)試未置頂、仿真文件與先前仿真文件重疊，未修改路徑等等，我的解決方法一般為：先保存一個新命名的文件，進行調(diào)試后，在SimulatorTools選項中采用Functional理想仿真的方法進行仿真，很好地解決了這個問題。▲問題6：在總電路設計完成后，如何快速準確地檢查其中的錯誤？思考：這是一個方法性的問題，糾錯能力對于EDA綜合能力而言非常重要，我在其中也下了很大功夫。在將程序下載到SmartSOPC實驗系統(tǒng)中運行之后出現(xiàn)過各種各樣的問題，有不顯示、不變化、錯亂、拓展功能缺失等等，在一步步糾錯過程中，我從原理出發(fā)，追根溯源，順藤摸瓜，找清問題所在的大致模塊。如不顯示往往是譯碼顯示電路的問題，不變化往往是分頻電路和計時電路的問題，拓展功能缺失則是對應功能模塊的問題。在找到大致方向后，開始逐步檢查錯誤，在難以辨別錯誤的情況下，一個模塊一個模塊檢查，可采用理想化條件法，將某個模塊前一級的輸出參數(shù)進行