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1、 本科毕业设计(论文)题目 基于FPGA的函数信号发生器 的设计与实现 学 院 电气工程及其自动化(单招) 年 级 2011 专 业 电气自动化 班 级 1608112 学 号 160811216 学生姓名 朱浩杰 校内导师 罗韩君 职 称 讲师 校外导师 职 称 论文提交日期 2015-05-12 常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明: 所呈交的本科毕业设计(论文),是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意

2、识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名: 日期:常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定,即:本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许毕业设计(论文)被查阅和借阅;学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计(论文),并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。本人签名: 日期:导师签名: 日期:基于FPGA的函数信号发生

3、器的设计与实现摘要当今函数信号发生器的设计是一个非常热门的领域,在科研领域几乎随处可见,为了与时代发展接轨,FPGA技术与DDS技术都在不断的发展,信号发生器已经被设计得越来越完善越来越功能化,信号发生器的工作的领域也得到了一定的扩展,信号发生器不止在工作于科研领域,在通信以及其他领域都可以运用到它,与此同时随着科研技术的发展它的成本也降低了很多。信号发生器的设计有着非常悠久的历史,所以本文先从它的背景现状与发展趋势开始介绍,接下来介绍了函数信号发生器的功能,紧接着介绍了在信号发生器领域运用最广的DDS原理。由此推出了本次毕业设计的方案,而且本文还逐一介绍了它的优点,随即介绍了FPGA现在的发

4、展趋势,在最后本文介绍了设计的流程与实现的功能与我们所期待的进行了比对。当然设计需要软件的同时也是需要硬件的,这次我们需要的芯片是由美国Altera公司生产的芯片(EP3C25Q240C8)。当然我们也可以借助Quartus软件进行仿真模拟,本次设计的要求是使用VHDL语言在Quartus软件里编译仿真并得出仿真最终结果。关键词:数字信号发生器 可编程门阵列 直接数字合成FPGA function Signal Generator Design and ImplementationAbstractToday's function signal generator design is a

5、 very popular field, it almost covers all the field of scientific research , in order to align with the time development of FPGA and DDS technology , signal generator has been designed to be more and more perfect ,more and more function, signal generator has also been extended, signal generator more

6、 than in the work in the field of scientific research, in the communication and other fields can use it at the same time as the scientific research and technological development of its cost also reduces a lot.The design of the signal generator has a very long history, so this paper first from the ba

7、ckground of the status and development trend of began to introduce. Next it introduces the function signal generator's function, followed by introduction of the DDS principle of the most widely used in the field of signal generator. Thus launched the graduation design scheme. And this is on

8、e of the its advantages, then describes the development trend of FPGA now, in the last part, the paper introduces the design process and the realization of the function and we look forward to the alignment.Of course, design needs the software as well as the hardware, and the chip we need is the chip

9、 (EP3C25Q240C8), produced by Altera. Of course, we can use Quartus software for simulation, the design requirement is to use VHDL language in the Quartus software compiler simulation and simulation results.Key words:Digital Signal Generator; FPGA; Direct digital synthesisIII目录1 概述11.1 函数信号发生器发展

10、的背景以及意义11.2 信号发生器发展趋势与应用11.3 本论文的主要内容21.4 本章小结22 DDS的原理32.1 DDS的设计32.2 系统方案的比较与选择42.2.1 设计的要求以及分析52.2.2 设计方案的比较62.3本章小结63 FPGA板块与结构的介绍73.1 FPGA核心板块的原理图和其PCB的设计73.1.1 时钟电路73.1.2 电源产生电路83.1.3 复位电路设计93.1.4 配置电路模块93.2 本章小结104 基于FPGA函数信号发生器的实现114.1 FPGA及其开发环境的介绍114.2 Quartus II软件工程的建立124.2.1打开Quartus软件,建

11、立一个空白的工程124.2.2 新建顶层编辑模块134.2.3 建立VHDL语言的编程模块154.3 DDS信号源的设计方案分析及优点154.3.1 毕业设计要求分析154.3.2 系统的方案论证154.4 系统的主要完成的功能164.5 系统的主要芯片介绍174.5.1Cyclone III系列芯片简介174.5.2 EP3C5M164C8简介174.6 系统软件设计概述174.7 波形产生模块194.7.1 正弦波模块194.7.2 三角波模块194.7.3 方波设计模块204.8 系统硬件连接和示波器波形显示214.9 误差的分析与解决224.10 本章小结225 总结23参考文献24附

12、录124致谢59VI常熟理工毕业设计(论文)1 概述1.1 函数信号发生器发展的背景以及意义函数发生器是各种测试和通信,计算机,雷达,控制,教学,制造,研究等领域的实验所不可或缺的工具并被广泛地使用,可以说现在科研领域都离不开它,他是不可或缺的一种工具,但是时代在发展,人们对信号发生器的功能已经有了更高的要求,普通传统的信号发生器已经无法满足现在科研的要求了,在科研领域发展的驱动下,当然科研工具也要随着发展,因此信号发生器的进一步开发很重要,然而采用专用的芯片或者模拟的电路的信号发生器,厂家在生产它的时候经费比较高,而且有些功能无法实现,比如控制波形频率和幅度,这困扰着一批又一批科研人员,与此

13、同时人们开始用晶体管设计信号发生器,在研发之前,传统形式的信号发生器它们电路的结构复杂,它所占面积大的,价格也是非常的昂贵,又不方便携带在身边,FPGA技术和计算机技术在很大的程度上促进了电子应用领域的发展,人们越来越青睐数字信号的处理技术,传统的模拟信号处理的技术在发展中已经慢慢被遗弃了。但是信号发生器的研究是永无止境了,人们又把微机技术运用到了信号源设计中,于是新一代的信号发生器产生了可以产生任意信号的信号发生器12。1.2 信号发生器发展趋势与应用现在信号发生器在研发领域几乎处处可见,与此同时它也是非常的昂贵的,但是随着FPGA和DDS这两门技术的不断发展,它们极大地促进数字技术的发展,

14、他们慢慢也发展到了通信的领域,数字信号处理技术终于完全取代了传统的模拟技术。时代在发展,普通的信号发生器不能满足人们的要求了,只能产生传统的正弦波已经不能满足科研人员的要求了,现在的仪器都在向着简单操作,电路简单易懂,功能完善,能产生稳定的波形,拥有更高的分辨率发展,从这些可以看出来,这些要求都为了适应社会的发展与技术的进步,所以对信号发生器的研究就变得越来越必要了。信号发生器已经与我们的生活紧密相连了,人们的生活已经无法没有它了,下表1-1是信号发生器的分类:表1-1信号发生器的种类分类方法 发生器种类信号种类专用信号发生器通用信号发生器产生波形任意信号发生器卖场信号发生器产生频率方法合成信

15、号发生器共振信号发生器1.3 本论文的主要内容这次毕业设计的题目是函数信号发生器的设计,从函数信号发生器的发展出发,引出了信号发生器的重要性,接下来提出设计方案:通过DDS的原理可以产生幅度频率都可以调节的三角波,正弦波,矩形波三种波形,最后对本次设计进行的自己的总结。 1.4 本章小结本章从信号发生器发展的背景与意思出发,接下来介绍了它的研发现状,在最后阐述了本次设计需要实现的功能2 DDS的原理2.1 DDS的设计DDS技术是通过相位来设计的,这也是它的出发点,接下来直接合成设计所需要的波形,经济的不断发展促使在DDS技术方面的研究人员越来越多,因此研究得也越来越全面,以往一些没有的功能也

16、被开发出来,有用这些功能的信号发生器它们有着拥有带宽大、频率稳定度高、分辨率高、频率切换的速度快等优点,在最近的几年,DDS技术在不断的发展中与普通的频率合成技术已经相差很多了,而且远远超过它们,甚至在某些及其关键的领域都开始运用到它们了,比如航空航天和自动化控制,这门技术已经变得越来越完善,越来越重要。2.1.1 DDS原理 本文以正弦波为例子讲解DDS原理,传统的正弦波函数表达式2-1所示 (2-1) 只要保持正弦波的幅值A和它的初始相位不改变,所得到的正弦波就是类似于的一条曲线,在设计中为了设计的简便,可以假设幅值为1,初相位为0,随即得到表达式2-2: (2-2)为何得到离散型的正弦波

17、序列,设计中可以利用采样频率对表达式(2-2)表达式进行采样分析,由此求出了正弦波离散序列,表达式2-3 (2-3) 与此同时,得到的相对应的相位的离散序列为表达式2-4所示 (2-4) 在表达式2-4中,是在采样过程中连续的两个采样点产生的增值,表达式如表达式2-5: (2-5) 计算中运用到了采样定理,以上的表达式2-5必须满足下面的条件表达式(2-6) (2-6) 根据采样定律,由表达式2-5与表达式2-2可得表达式2-7: (2-7)由此可知通过相位增量的改变就可以达到信号频率的改变,把一个周期的正弦波分为M分,每份用表示,每份,每次正弦波它的相位增加的数量是的K倍时,与上面表达式2-

18、7相结合,可以得到表达式2-8: (2-7) 在表达式2-7中,K,M必须都是整数,而且必须满足2K<M的条件。 从上面的分析,得到了最终的原理:在设计中要改变正弦波信号的频率,我们可以直接改变K,M的值,如图2-8是DDS设计的原理图: 图2-8 DDS设计的原理图 DDS技术远远超于其他技术,具体有点如下:(1) 产生的频率的分辨率远远高于普通的技术。(2) 只要是数字信号都可以通过它来调制。(3) 系统工作时无噪音,有良好的工作环境。2.2 系统方案的比较与选择2.2.1设计的要求以及分析通过DDS技术,产生幅度和频率都可以进行调节的正弦,矩形和三角波是本次毕业设计的目的,但是可以

19、实现DDS的方法不是只有一种,也可以通过单片机专用芯片的方法来实现,同时更加可以通过FPGA技术来实现,所以以下是对这两种技术的比较:2.2.2 设计方案的比较方案一:是采用51单片机的方法,在设计中运用到了现在运用比较广的DDS芯片AD9851,通过它可以产生正弦波信号,在设计中单片机有着很重要的作用,对AD9851芯片的频率控制字进行控制是十分重要的环节,所以这部分由单片机来控制,通过这个的控制,从而实现了频率的可调,低通滤波器可以滤除不需要的波形分量,从而得到纯度更高的正弦波。幅度的调节是通过功放来实现的。其主要的设计方案如图2-9所示 图2-9 基于单片机方案框图方案二:DDS功能的实

20、现通过现今非常热门的研究领域:FPGA,通过FPGA内的存储器查表后得到了离散型的数字正弦波信号,数模转换电路的作用及时就是把前面的数字正弦波转换为模拟正弦波,这里同样也有低通滤波器,把信号的多余部分滤除,最后得到了所需要的波形。整体框图如图2-10所示:图2-10 基于FPGA方案框图综上所述下面是方案二成为本次设计的原因:(1) 运用到的FPGA技术体积小,系统设计也更加简单。(2) FPGA中包含了系统主要的电路,这样提高了抗干扰能力,稳定性也有了很高的提高。(3) 通过改变FPGA程序的内容额可以改变电路的功能,这样系统有了更强大的功能。2.3本章小结 本章以介绍了DDS技术的应用方面

21、与发展前景起手,随机重点推出介绍了DDS原理,最后推出了两个设计方案,通过比较,描述了FPGA的优点。3 FPGA板块与结构的介绍3.1 FPGA核心板块的原理图和其PCB的设计Altium Designer软件是本设计在绘制原理图时所用得到软件,电路的系统硬件设计原理框图如图3-1所示,绘图时遵循以下原则:一目了然,简洁大方,线条美观不交叉,布局适当。 根据上述原则和系统硬件平台图3-1的整体设计,完成在生产电路板中使用的系统。图 3-1系统硬件电路3.1.1 时钟电路晶振被用于为系统时钟的电路能够正常的工作提供基本条件,所以如果系统能够正常工作,必须有一个时钟电路。晶振种类很多,但是一般分

22、为两大类:无源晶振:运用到的芯片电路中必须要含有振荡器电路,因为无源晶振信号电压的大小是由电路中的振荡电路决定的,产生的信号质量差,精度也比较低,需要与外围电路进行精确的比对。有源晶振:芯片的电路摆脱了振荡电路的限制,电路变得更加简便,就因为这些,系统得到的频率的精度变得高,很大地提高了产生信号的质量。如图3-2是时钟配置原理图,有功功率振荡器为3.3V,输出信号输出到芯片的CLK0电路中需要进行电容滤波,通过这些晶振所输出的频率和更加精准。图3-2 时钟配置电路3.1.2 电源产生电路电源电路的设计是至关重要的,它关系到总系统能否正常工作,一旦电源电路设计出现失误,系统的任何模块都不能工作,

23、系统就会瘫痪,之前的设计都成为徒劳,或会因散热性能不佳,导致工作时系统不稳定。EP3C5M164C8是在本次设计中用的到的芯片,该芯片工作的条件是I/O口电压为3.3V,芯片核心处工作电压为1.2V,模拟工作时通过的电压为2.5V,而5V电源是系统通过USB获得的,通过电源转换芯片从而转换到2.5V 3.3V,和1.2V电压15。如图3-3所示, AMS113芯片在电源电路设计的时候是必不可少的,此芯片价格不高,在很多领域中都得到了使用,通过图3-3看出电源的输出与输入都可以通过滤波电路进行滤波,最后得到所需要的波形。图3-3 电源配置电路3.1.3 复位电路设计复位电路在系统中也有着不可忽视

24、的作用,它能保证系统在安全的情况下运行,复位电路如图3-4所示。复位电路分为两种不同的方式19:上电复位:为了确保系统在每次工作时都在一个明确的初始形态,而不是一个之前的状态在系统运行前,上电复位缺失会导致得出结果错误,所以上电复位操作是必不可少的。手动复位:系统在工作时,因为设置值的错误或者操作人员操作的失误,需要回到系统初始的运行状态,在这里就用到了手动复位,手动复位简单方便,对于系统运行野有着很好的作用。在设计中这两种复位电路缺一不可。图3-4 复位电路3.1.4 配置电路模块下载FPGA器件时主要有JTAG和AS模式:JIAG模式:系统自带的模式,它不需要额外自己设计,它的作用是由于突

25、发状况导致系统断电,仪器死机,它的信息会存储在SRAM中不会丢失,这对系统来说是非常重要的。 AS模式:要通过自己编辑然后保存到系统芯片里的,所以是否断电与其影响不大,在Cyclone III类型的芯片中,EPCS8得到了最广泛的运用,在本文中,就使用到了此款芯片。图3-5是一个电路结构的JTAG,上拉电阻器R9是1K,上拉电阻器的其余部分5K,TDI,TCK,TMS和TDO连接到JTAG标准的接口,设计的电路由这些构成。图3-5 JTAG配置的电路AS的设计电路如图3-6所示,芯片EPCS8在此电路设计中有着无法替代的作用,用一句话说这个芯片就是永远存在无论断电与否,不会丢失。图3-6 AS

26、配置电路3.2 本章小结本章首先介绍了FPGA硬件开发平台,然后介绍了FPGA核心版原理图,然后逐一介绍了FPGA的组成部分电路,以及它们的作用。4 基于FPGA函数信号发生器的实现4.1 FPGA及其开发环境的介绍关于FPGA(现场可编程门阵列):它是在GAL,PAL可编程器件等产品。 FPGA编程时不会被某些条件所束缚,编写比较灵活,运用到的地方也比较多,对于那些要实现复杂的逻辑功能和最小化系统都可以使用FPGA技术,所以通过FPGA和DDS技术来设计信号发生器是最简单与全面的。Altera公司的FPGA芯片的产量居世界第一,最主要的三个公司有:Altera公司,Xilinx公司。Alte

27、ra对可编程逻辑器件制造有着一个比较漫长的历史,世界上一个可编程逻辑器件就是出自此公司,公司不断的努力Altera公司不在提供一套单一的系列,它们开始向更高的领域发展,如今已研发了多个系列的芯片,比如,Cyclone 和Stratix系列。 随着FPGA技术的不断发展,公司也开始不断研究FPGA领域的芯片,并且不断开发,开发环境一直使人们非常烦恼,直到Altera公司推出了Quartus软件作为开发环境,FPGA得到了更广泛的发展,在此软件中可以绘制原理图,编辑程序(Verilog-HDL、AHDL、VHDL),同时保存下来进行编译仿真,通过时序与功能仿真可以得到所预想的结果,如图4-1是FP

28、GA设计流程原理图。图4-1 FPGA的开发设计流程在毕业设计中由于硬件条件的有限,所以只有借助于Quartus软件来实现功能。该软件功能强大,操作方便,主要用于系统的输入电路设计,集成电路,线路布局,时序分析和仿真,系统配置操作,关闭时间,调试和项目管理职能。Quarus II 9.1给出了一些常见的集成模块,如:加法,减法,乘法,股票,存储单元,柜台等模块。在这些模块中编写代码的过程的用户可以在任何时候调用,只要修改设置模块可实现期望的功能性,易用性。此软件的编写语言支持三种分别为Verilog-HDL、VHDL和AHDL,原理图在设计中也涉及得到,电路的设计可以在软件原理图层里绘制,电路

29、的设计可以只通过原理图实现,也可以通过编程语言实现,复杂的电路可以通过简单的编程实现,综上所述,我们也可以通过编程语言和原理图相结合的方法,这样简单明了,让人一目了然,通过此软件可以把以往复杂的电路简单化,节约成本。42 Quartus II软件工程的建立4.2.1打开Quartus软件,建立一个空白的工程。 (1) 鼠标双击Quartus II软件图标从而打开软件。(2) 在软件菜单栏中找到File选项单击向后看选项,选择New Project Wizard选项,其他的选项都保持不变。当看到出现如图4-2的对话框时,开始填写工程所要存储的地方(建议存储在桌面文件夹这样好找),然后给工程进行命

30、名,本次设计命名为:“top”。图4-2 工程的路径、名称的选择与设置(3)用鼠标单击:“next”选项接下来会出现如图4-3的对话框,本次设计使用到的是Cyclone III的芯片EP3C5M164C8芯片,其他的选项不改变,单击Next直到完成。图4-3 选择芯片对话框4.2.2 新建顶层编辑模块。(1)单击Quartus图标以打开此软件,在软件的菜单栏里找到file,然后在file里找到Block Diagram-Schematic File选项,如图4-4所示,选择OK,一个顶层模块就生成了。图4-4 新建模块文件夹对话框(2)这个需要先保存的,单击File选项然后找到Save As(

31、保存),把他重命名为“Block 1.bdf”(当然也可以用其他名字)。(3)鼠标双击刚才建立的顶层模块,我们就可以从库中选择自己所需要的元器件,如图4-5所示图4-5 选择所需的器件按照上面的介绍,基础的原理图模块都已经建立了,可以生成电路。4.2.3 建立VHDL语言的编程模块(1)鼠标双击桌面Quartus软件图标打开此软件,在Quartus软件的菜单栏选项中中找到File选项,单击new新建,会出现如图4-6所示的对话框,本次设计是用VHDL语言编写的,所以选择VHDL file选项,单击ok即可。图4-6 新建VHDL模块的对话框(2)这个模块需要不止一个,所以在编写中要注意保存,名

32、字保存为任意名字即可。4.3 DDS信号源的设计方案分析及优点4.3.1 毕业设计要求分析本次毕业设计是要根据DDS原理,设计一个函数信号发生器,该信号发生器能产生三角,矩形,正弦三种波形,同时三种波形的幅度频率都可调。本次可以使用单片机的方式使用的语言来实现它,也可以用硬件描述语言(VHDL)在FPGA版中运行,通过学习了解,我们使用FPGA的方法。4.2.2 系统的方案论证基于FPGA实现用DDS的功能,在FPGA逻辑为基础的设计实现的原理,通过数模转换电路,一个模拟得正弦波信号就产生了,通过低通滤波器把信号的高频分量去除。图4-7所示的数字化和集成化整体系统图图4-7 方案整体框图可以通

33、过按键模块来控制波形的频率和幅度,波形可以从液晶显示屏上显示出来,产生的模拟信号通过D/A转换器转换为数字信号。最后可以由低通录波器滤除不需要的分量。该图是FPGA系统的控制中心,波形生成效果的方法是使用一个存储单元,存储在FPGA芯片ROM的正弦表,一个ROM中可以从存储很多个样本正弦波,数字波形与模拟波形相转换时用到了它。为了确保产生正弦波的纯度我们使用了低通滤波器,我为了简化设计的方案,可以删除的控制按钮和LCD模块。方案具有优点如下:1. 通过FPGA技术来实现DDS的功能,不但简化了设计的过程也是系统更加集成化,体积也做的更加的小,系统的到了简化2.着手于系统的性能,我们必须保持系统

34、电路不变的情况下来更改所设计的程序,使FGA重新工作起来,如此新的系统就产生了,而且得到了提高,运行的速度也变得飞快。3.系统的规模更加集成化与数据化。4.4 系统的主要完成的功能本设计完成的主要性能指标有:1.产生的正弦波幅值可调2.产生的波形失真小,不易失真。 3.波形频率稳定度高4.可以通过系统产生完整的三种波形,并且可以进行调幅和调频,波形不会失真。4.5系统的主要芯片介绍在设计过程中硬件是必不可少的,所用会用到芯片模块: CYCLONE III系列中的EP3C25Q240C8芯片是Altera公司所研发的,以下是对这款芯片做的介绍。4.4.1Cyclone III系列芯片简介Alte

35、ra的Cyclone III系列芯片是一个低成本的第三代产品的制造,S虽然此款芯片成本低但是质量不低,它拥有足够的逻辑单元,数量为64,416。它的I/0引脚也有很多,数字是622,同时也拥有1.1Mbit的寄存器,芯片也尽量减小了芯片上硅片的覆盖面积,最主要的是它可以完美得支持相当复杂的数字工作系统,所以从运行完善,低成本还有能支持几乎所有数字系统的研发出发,Cyclone III芯片是最得到青睐的,有和ASIC竞争的能力。4.4.2 EP3C5M164C8简介EP3C5M164C8芯片是美国Altera公司低成本生产的,虽然它的生产成本低,但是运用到的地方却相当的广泛,设计人员也是很细心的

36、封装, 设计电路是有182个引脚可以使用,3.3V电压是它能工作的前提,芯片拥有165888bit的RAM,在这中用于倍频的锁相环有两个。4.6 系统软件设计概述完整的硬件系统已经设计完毕,接下来就应该软件来执行了。这种设计的主要部件开发由控制电路模块,三种波形产生的模块,频率控制的模块,幅度控制的模块,和输出模块组成,当然如果有条件的话可以通过液晶来显示假如液晶显示模块,也可以通过按键的方法实现频率和幅度的调整,加入按键的模块,本次设计中没有运用到这两种模块。设计的整体图4-8所示,控制电路正弦、矩形、三角波信号产生模块输出信号幅度控制模块频率控制模块图4-9 程序基本框图图 4-8 程序基

37、本框图上述过程在Quartus II中用VHDL语言和原理图混合使用,FPGA顶层模块原理图如图4-9所示:图4-9 FPGA顶层模块原理图在原理图中每个模块都有自己的VDHL语言接下来是各个模块产生的波形,4.7 波形产生模块 各模块的参数如图4-11所示,tri_input,,saw_input,square_input是对方波,三角波以及正弦波三种波形频率的参数通过程序中参数的调节,可以实现波形频率的调节,而b2,b3,b4是对方波,三角波以及正弦波三种波形幅度参数的调节,可以实现波形幅值的调节,参数数值采用二进制读取。 图4-10各波形参数4.6.1 正弦波模块正弦波由DDS原理设计,

38、根据存储在ROM表中的期望的正弦波形数据而生成,把代码输入到在Quartus II中后通过Modelsim仿真软件所得正弦波波形如图4-12所示:由图4-11可得信号幅值1V,频率39HZ的正弦波。图4-11正弦波仿真图4.6.2 三角波模块在本次设计中三角波的产生原理和正弦波产生是相同的,由图4-11可得信号幅值1V,频率32HZ的三角波,其仿真波形如图4-12所示:图4-12三角波仿真图4.6.3 方波设计模块由图4-11可得信号幅值1V,频率32HZ的方波,方波仿真波形如图4-13所示:图4-13 方波仿真图4.8 系统硬件连接与示波器波形显示系统的硬件连接图如图4-14所示图4-14

39、系统的硬件连接通过测试在示波器得到三角波,正弦波如图4-15,4-16,4-17所示图4-15 三角波波形图4-16 正弦波波形 图4-16 方波波形 4.9 误差的分析与解决1.相位截断误差分析在设计中我们运用到了相位截断法,它查表只是通过相位累加器输出的高位查的,所以这样会产生误差,对波形的频率和幅度都有误差。2.量化误差分析在正弦波合成中,它的频率和幅值都是近似值,所以会产生量化误差。4.DAC转换误差分析DAC误差包含DAC器件的误差、DAC的非线性特性的误差和DAC转换过程中所产生的误差。5.改进方法误差存在于每个系统中,但是误差需要控制得越来越小,设计中可以改变相位累加器的级数、频

40、率控制字、时钟等参数的精确度,这样就可以尽量减小误差了。4.10 本章小结本章首先对FPGA的开发环境进行了分析,接下来对波形产生模块程序作了介绍,得出了正弦波、三角波、方波的仿真波形,并在示波器中产生相应的波形,最后对产生的误差进行了分析。5 总结本次毕业设计的项目内容是通过DDS(直接数字频率合成技术)设计出一种函数信号发生器,在老师不断的帮助与自己的努力下,基本达到了设计所需要的要求,可以产生稳定的正弦波,三角波与方波。在设计中使用的是原理图和编程语言相结合的方法,结合了开发平台Quartus软件的使用。刚接触到课题是无从下手,通过不停的查阅书籍与上网查资料对课题慢慢有了初步的了解,了解

41、了DDS原理是通过相位控制频率,了解了DDS技术的不断发展,也了解了VHDL语言,学习它的编程思路,在学习这些知识的同时软件的操作当然必不可少,通过网上视屏的教程慢慢学会了Quartus软件的使用。 由于设计资源的有限与实验器材,设计经验的束缚在设计中可能还有某些不足的地方,如果有条件的话可以产生任意的波形不仅仅只有这几个波形。同时在硬件方面可能也有些许的不足,比如可以使用更优良的FPGA芯片进行设计,从而得到更加完善的功能。 本次设计出了自己查阅了网上资料与书库,老师和同学也有着不可忽视的作用,在老师的细心指导和同学的热心帮助下完成了本次设计。参考文献1 苗丽华. VHDL熟悉的电路所设计教程M.人民邮电出版社,2012,卷号(4):356-360.2Kenneth L.Shot . VHDL大学的试用教程 M.电子工业出版社,2011, 卷号(5):234-267.3Peter J.Ashenden,VHDL嵌入式的数字系统设计的教程J.北京航空大学出版社,2011,卷号(5):47-49.4 候伯亨,刘凯,顾新. VHDL硬件描述语

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