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1、任意信号发生器设计DDS任意信号发生器设计发布时间：2011-07-08 12:45:53技术类别：CPLD/FPGA修改|删除|置顶目录绪论第1章DDS原理1.1 DDS原理和结构1.2 DDS的特点第2章 系统总体设计2.1设计思路2.2系统设计2.2.2各底层文件管脚图第3章 程序设计与分析3.1程序设计概要3.2核心程序分析3.2.1数控分频器3.2.2多路选择器3.2.3三角波生成器3.2.4可调节占空比的方波3.2.5振幅键控(ASK-Amplitude Shift Keying)3.2.6移频键控(FSK-Frequency Shift Keying)3.2.7移相键控(PSK-

2、Phase Shift Keying)3.2.8任意波的产生3.2.9正弦信号的产生第4章 仿真与测试4.1 QUARTUSII简介4.2各模块时序仿真结果4.2.1数控分频模块4.2.2波形发生模块4.2.3多路选择器模块4.3硬件测试结束语参考文献谢辞绪论EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。硬件描述语言HDL是EDA技术的重要组成部分，常见的HDL主要有VHDL、VerilogHDL、ABEL、AHDL、S

3、ystemVerilog和SystemC。其中VHDL、VerilogHDL在现在的EDA设计中使用最多，并且我们学习的是VHDL的编程方法和实用技术。VHDL的英文全名是VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language,由IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers）进一步发展，并在1987年作为“IEEE标准1076”公布。从此VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了

4、设计者的劳动强度。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文主要介绍了EDA在设计波形发生器中的应用，完成了锯齿波、三角波、占空比可调的方波、占空比50%的方波以及正弦波

5、设计，同时还能起到对频率、幅值、占空比的调节，用原理图及VHDL语言完成了整个系统的设计，并用实验箱完成了所有功能硬件调试。第1章DDS原理1.1DDS原理和结构基于DDS技术的函数信号发生器由相位累加器、波形存储器ROM、数模转换器DAC和低通滤波器LPF组成，相位累加器和波形存储器ROM在FPGA器件EP1K30TC144-3中实现，系统框图如图1所示：图1 DDS系统框图在系统时钟脉冲fc的作用下，相位累加器以步长K不停地累加（K又称为频率控制字），累加输出作为ROM地址输入进行查表，ROM输出值即是波形数字幅度值，把该数据送至DAC转换成模拟量输出，再经滤波器平滑后输出所需波形。由相位

6、累加器字长N的限制，累加到一定值后输出将会溢出，这样波形存储器的地址就会循环一次，即输出波形循环一周。因此改变步长就可以改变相位累加器的溢出时间，在时钟不变的条件下就可改变输出频率。输出波形的频率为(1)由式（1），合成信号最低频率，最高频率， 当相位累加器位宽N和基准时钟频率达到一定要求时，输出频率范围可以很宽，输出分辨率可以很小，趋近于0，这是传统信号发生器无法达到的。1.2DDS的特点优点：（1）输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为50%fs（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。（2）频率转换时间短DDS是一个开环系统

7、，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率时间等于频率控制字的传输，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。（3）频率分辨率极高若时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就是则相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多小于1mHz甚至更小。（4）相位变化连续改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周

8、期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。（5）输出波形的灵活性只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。（6）其他优点由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价

9、比极高。缺点：DDS也有局限性，主要表现在：（1）输出频带范围有限由于DDS内部DAC和波形存储器（ROM）的工作速度限制，使得DDS输出的最高频有限。目前市场上采用CMOS、TTL、ECL工艺制作的DDS工习片，工作频率一般在几十MHz至400MHZ左右。采用GaAs工艺的DDS芯片工作频率可达2GHz左右。（2）输出杂散大由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。第2章 系统总体设计2.1设计思路采用原理图与VHDL语言结合的方法完成整个系统的设计，其中，P

10、ULSE为数控分频模块，包括一个时钟输入、一个4位的数控值输入和一个频率输出，输出的频率用于递增锯齿波、递减锯齿波、三角波、占空比可调方波、正弦波和标准方波、振幅键控、移频键控、移相键控、任意波的时钟输入，以实现各信号的频率调节。r_zeng为递增锯齿波，其设计方法是每一次时钟信号出现上升沿，则给输出信号加1，直到输出信号为全1，此时将输出信号清零。Left_zeng为递减锯齿波，其设计方法是每一次时钟信号出现上升沿，则给输出信号减1，直到输出信号为0，此时将输出信号置为全1。sanjiaobo为三角波发生器，其设计方法是以一个信号a控制，当a为0时，每一次时钟信号出现上升沿，则给输出信号加1

11、，当a为1时，每一次时钟信号出现上升沿，则给输出信号减1，a由输出信号的值控制，当输出信号为全1时，给a置1，当输出信号为0时，给a清0。Square_ketiao为占空比可调方波，其设计方法是在标准方波的基础上，引入两个调节按键up和down，以增加和减小方波的占空比，在这两个按键的设计上，采用了上升沿和下降沿的判断方式，以调节控制变量z的大小，最后完成占空比的调节。sine为正弦波，其设计方法是设计一个正弦波的数据表和一个控制变量tmp，时钟上升沿控制tmp的增加，tmp对应正弦数据表中的相应数据。square为标准方波，其设计方法同占空比可调的方波，只是它的控制变量是一个恒定值，使其占空

12、比为50%。图2系统框架2.2系统设计2.2.2各底层文件管脚图根据给出的系统原理图，下面分别列出各底层文件管脚图。数控分频器如图4所示：图3数控分频器管脚其中，CLK为外部输入时钟，D3.0为数控分频的计数值输入端，FOUT为分频频率输出。多路选择器如图5所示：图4多路选择器其中，CLK为外部输入时钟，SEL为多路选择器的选择输入信号，D0-D5为6路信号的输入，Q7.0为频率输出，各波形产生器如图6所示：图5各波形发生器管脚其中，CLK为分频后的时钟信号输入端，Q7.0为输出的一个8位数据，供DAC0832的数据输入。第3章 程序设计与分析3.1程序设计概要本课程设计主要完成与任意波形信号

13、发生相关的VHDL语言程序设计与控制综合，体现了VHDL从顶向下的设计思想，同时对初学者来说也是一个不错的练习机会。从整体设计上将要产生的几个波形分开设计，与C语言设计有点类似，不过VHDL语言作为一种硬件描述语言，其本质与C语言不同，它完成的是实际的硬件电路的配置，而C语言完成的是控制、运算等。3.2核心程序分析3.2.1数控分频器P_REG: PROCESS(CLK)VARIABLE CNT8 :STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINIF CLKEVENT AND CLK = 1 THENIF CNT8 = 1111 THENCNT8 := D;FULL =

14、1;ELSECNT8 := CNT8 + 1;FULL = 0;END IF;END IF;END PROCESS P_REG ;以D为基数的一个计数器，时钟上升沿触发，当CNT8“1111”时给CNT8载入初值，同时给FULL一个时钟周期的高电平，使其周期性的输出一个脉冲信号。P_DIV: PROCESS(FULL)VARIABLE CNT2 : STD_LOGIC;BEGINIF FULLEVENT AND FULL = 1 THENCNT2 := NOT CNT2;IF CNT2 = 1 THENFOUT = 1;ELSEFOUT out_boout_boout_boout_boout_

15、boout_boout_boout_boout_boout_boout_boout_bo=null;-其他情况下无输出end case;end process;此进程为一个case语句设计的多路选择器进程，其中，sel为选择哪一种波形的输出。3.2.3三角波生成器PROCESS(clk,reset)VARIABLEtmp:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);VARIABLEa:STD_LOGIC;BEGINIF reset=0 THENtmp:=00000000;-复位信号为0，置最小值ELSIFclkEVENTANDclk=1 THEN-检测时钟上升沿IF a=0 TH

16、ENIFtmp= THENtmp:=; -置最大值a:=1;ELSE-不是最大值时递增tmp:=tmp+1;-递增运算END IF;ELSEIFtmp=00000001 THENtmp:=00000000; -置最小值a:=0;ELSE-a为1时，执行递减运算tmp:=tmp-1;-递减运算END IF;END IF;END IF;q=tmp;END PROCESS;此进程是控制一个三角波发生的，其中以a作为计满标志。当tmp为“00000001”时a=0，下一时钟到来时，进入tmp加状态;当tmp为“”时，a=1，下一时钟到来时，进入tmp减状态。3.2.4可调节占空比的方波process(

17、clk,conup,condown)，此进程与多路选择器相类似，这里不再最赘述。PROCESS(clk,clr)VARIABLEcnt:INTEGER; -定义内部整数变量BEGINIFclr=0 THENa=0;ELSIFclkEVENTANDclk=1 THEN-检测时钟上升沿cnt:=cnt+1;-计数IFcntz THENa=1;ELSifcnt128 thena=0;ELSEcnt:=0;END IF;END IF;END PROCESS;此进程是通过a的值调整一个占空比的信号的控制量。其中，时钟上升沿条件下，调节a的值，以控制clk的分频系数。PROCESS(clk,a)BEGIN

18、IFclkEVENTANDclk=1 THENIF a=1 THENq=255; -a=1,输出一个波形周期内的高电平ELSEqoutdata_bufoutdata_bufoutdata_buf=null;-其他情况下则无输出end case;end process;outdata=outdata_buf;-信号赋值indata_buf=indata; Shift Keying)主要是通过分频来实现FSK的，当输入信号为1的时候则对系统输入时钟进行4分频，当输入为0的时候则直接输出输入的时钟信号。然后将控制输出的时钟信号输到正弦波发生器的时钟脚。从而实现调频的目的。process(clk,xu

19、anze)variable count : integer range 0 to 4;beginifclkeventandclk=1 thenifxuanze=1 then如果输入信号是1的话则进行4分频if count=4 then四分频进程count:=0;full=1;elsecount:=count+1;full=0;end if;elsifxuanze=0 thenfull=not full;end if;end if;end process;outclk=full; Shift Keying)PSK实现主要根据输入信号进行判断，如果是0的话那么就将相位移动180度，这个是由255减去正弦波输入的幅度值来实现的，如果输入的是1的话就是直接和载波相位相同，直接输出正弦波信号。process(pskin)beginifclkeventandclk=1 thenifpskin=0 thenoutdata=255-indata;elsifpskin=1 thenoutdataqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqNULL;END CASE;elsetmp:=0;end if;END IF;END PROCESS;第4章 仿真与测试