南理工DDS实验报告含AM调制等全部功能

[]南京理工大学DDS实验报告——直接数字频率合成器学号姓名指导老师同组人完成时间摘要本文探讨了利用QuartusII设计一个具有清零、使能、频率控制、相位控制、测频、AM调制、输出多种波形(包括正余弦、三角波、锯齿波、方波)、经过D/A转换之后能在示波器上显示的直接数字频率合成器。本文分析了DDS的设计原理和整个电路的工作原理，介绍了ROM查找表设计和相位累加器设计，还分别说明了各子模块的设计原理和调试、仿真、编程下载的过程。关键词：DDSROM输出波形频率相位控制AbstractThereporttellsDirectdigitalsynthesizercancontrolusing、reset、changefrequencyandphase、outputvariouswaveform(includingsine(cosine)，trianglewave，sawtooth，squarewaveform)byusingQuartusIItodesignandafterconversionafteralsodisplayedontheoscilloscope.Also，itanalyzesthetheoryanddesignaboutdirectdigitalsynthesize(DDS)andanalyzedtheprincipleofallworkandexplainedthedesigningprincipleofdifferentpartsseparatelyanddescribestheprincipleandfeaturesofDDS.TherealizingmethodofROMfinding-tableandphasecounterandintroducedindetail.Atthesametimeitintroducedthedebugging，simulating，compiling，programming.Keywords:DDSROMoutputvariouswaveformfrequencyandphase目录设计要求…………………5整体电路的设计原理……………………5各子模块设计原理………61．分频器…………62．频率预置电路…………………93．累加器………………………104．加法器………………………105．波形存储器RAM……………116．测频电路……………………137．译码电路……………………158．显示电路……………………169．精度提高电路………………1710．AM调制电路………………18（1）AM调制原理…………………18（2）AM调制电路设计……………18（3）AM调制电路子模块…………19总电路………………………22实验波形……………………22调试与编程下载…………25结论…………27实验中遇到的问题和思考…………………27实验体会与心得……………29参考文献…………………29一、设计要求利用QuartusII软件和SmartSOPC实验箱实现DDS的设计；DDS中的波形存储器模块用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片中的ROM实现，ROM结构配置成4096×10类型；具体参数要求：频率控制字K取4位；基准频率fc=1MHz，由实验板上的系统时钟分频得到；系统具有清零和使能的功能；利用实验箱上的D/A转换器件将ROM输出的数字信号转换为模拟信号，能够通过示波器观察到正弦波形；通过开关控制改变DDS的频率和相位控制字，并能用示波器观察加以验证；在数码管上显示生成的波形频率；充分考虑ROM结构及正弦函数的特点，进行合理的配置，提高计算精度；设计能输出多种波形（三角波、锯齿波、方波等）的多功能波形发生器；10)考虑节省ROM空间的设计，例如只提供四分之一的波形或者半波形。11)基于DDS的AM调制器的设计。二、整体电路的设计原理AM调制电路AM调制电路图1:电路原理框图整体原理概述：图1很好的显示了直接数字频率合成器内部包含的电路和彼此之间的关系，方框表示分电路，箭头表示功能和走向。DDS的基本结构主要由相位累加器、相位调制器、正弦波数据表(ROM)、D/A转换器和低通滤波器构成。下面将简要地简述直接数字频率合成器的工作原理。先由频率分频电路给出电路基本的时钟信号和1KHZ、1MHZ等信号，将时钟信号CLK送至频率预置电路和相位预置电路，分别输出频率预置字和相位预置字，频率预置字送入累加器进行累加，时钟信号每到来一次进行一次累加，累加后送入加法器与相位预置字在加法器中进行相加，其输出的数据作为波形存储器的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值进行找表查出，完成相位到幅值的转换，再经过输出选择电路，就能在开关控制下，得到所要的波形的大致轮廓，再经过D/A转换和低通滤波器使得数字量变为模拟量并将波形变得平滑，最终输出理想的波形。下面是DDS的工作流程图和波形的对应变化：图2:DDS基本流程图除了基本电路外，还附加了测频电路和AM调制电路等等，具体子模块原理将在第三部分作详细阐述。三、各子模块设计原理1.分频器（1）48分频48分频电路由2个74160构成，由于74160为同步置数计数器，当高位为0100，低位为0111，即47时传递一个置数信号，同时用非门传递输出进位信号。图3：48分频电路输出波形如图：图4：48分频电路波形封装为：（2）1000分频10分频电路由1个74160构成，由于0000到0101的一个计数周期内QC只产生一次变化，所以输出QC即可得到10分频。1000分频由3个10分频级联而成。图5：1000分频电路封装为：（3）2分频用一个D触发器即可容易地搭建2分频电路。图6：2分频电路封装后：（4）总分频图7：总分频电路封装后：2.预置和控制电路（1）频率预置电路频率预置电路由74161设计构成，输入1HZ信号进行模16计数。由开关控制清零和使能端，实现清零和保持的功能，输出作为频率控制字低四位，高八位置零，输入累加器进行累加。图8：频率预置电路封装后：（2）相位预置电路构成和频率预置相同，也具有清零和保持的功能，输出相位控制字控制相位的高位，使相位较大幅度的变化，从而达到改变相位的目的。图9：相位预置电路封装后：3.累加器累加器由四片7483和四片74175级联构成，可进行14位累加运算。每到来一个时钟脉冲，加法器将低四位的频率控制字K和寄存器寄存的前一次的累加值进行相加，相加后再输入寄存器，实现了累加运算。当累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作。取前12位最高位Q[12]作为overflow量输出给之后的测频电路。图中除了前12位的基本累加外，还输出Q[13]、Q[14]，这两位作为波形精确电路的选择信号，控制了四分之一精确波形的变换。图10：累加器电路封装为：4.加法器加法器由3片7483级联构成，能够进行12位的加法运算，作用是将累加器的输出值与相位控制字进行相加，从而改变输出信号的相位。为了能大幅度地改变相位，输入的相位控制字与累加器输出的高四位进行相加。图11：加法器电路封装后：5.波形存储器RAM（1）利用Excel计算波形数据正弦：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)锯齿波：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)图12：波形数据（2）生成MIF文件选择NEWOtherfilesMemoryInitializationFile；填入RAM结构配置参数：数据个数为4096，数据宽度为10bits，配置成的类型。图13：波形存储器结构配置参数再将Excel中的数据复制到mif文件中。图14：填入mif文件（3）在元器库中选取LPM-ROM，设置ROM的信息，数据宽度为10bits，数据个数为4096；设置ROM为寄存器输出，不需要时钟和异步清零信号；指定ROM的初始化数据来源，选择刚刚所生成的mif文件。然后点击“finish”即可生成ROM单元了。将存储正弦波、余弦波、三角波、锯齿波、方波以及拓展设计的四分之一正弦波的ROM单元与lpm_mux选择器相联，构成3开关控制的五选一波形选择电路。图15：波形选择电路封装为：6.测频电路由先前电路可知，累加器以频率控制字K为间隔进行累加，每当累加满时就产生一次溢出，完成一次周期性动作，这个周期也就是DDS信号的一个频率周期,所以将累加器的最高位作为测频电路技术器的脉冲overflow。测频电路由三片计数器74160和三片寄存器74151构成。先引入总分频电路产生的0.5HZ时钟信号，送入74160的清零端，这样就能让计数器在2秒的时间周期内，高电平的1秒内进行计数操作，低电平的1秒内进行清零操作。又由于锁存器的脉冲和计数器的脉冲是反相的,且有一定的延时,所以当锁存器有效脉冲来到时,计数器是清零状态,锁存器就锁存前1秒内计数器的计数信号。这样就完成了1秒内的脉冲计数,再将锁存器的输出送入译码显示电路,就可以以2HZ的频率在数码管上显示波形频率的变化了。下面是测频电路原理图：待测信号反向延时单位时钟单位时钟待测信号反向延时单位时钟单位时钟图16：测频电路原理图图17：测频电路封装为：7.译码电路 由于数码管显示电路必须输入8421BCD码才能正常显示，所以要将频率控制字和相位控制字先转化为8421BCD码再输入显示电路。译码电路由两片74185和4个逻辑门电路构成。以下是2-10进制转换表2进制数十进制个位十进制十位000000000000000100010000001000100000001100110000010001000000010101010000011001100000011101110000100010000000100110010000101000000001101100010001110000100001110100110001111001000001111101010001图18：译码电路封装为：8.显示电路本实验采用了7个7段数码管显示，采用动态显示的方法，这就需要对7个数码管轮流译码显示，由于人眼的延迟效应，只要保证足够高的频率，就能实现7个数码管的“同时显示”。先使用模8计数器产生地址码，输入信号频率为1hz。再用8选1数据选择器74151通过模8计数器产生的地址码将要显示的某一位的信号送到显示译码器7447，实现了段选。然后通过一个译码器输出要显示的数码管的EN端的高电平，实现了位选。这样便实现了动态显示。图19：模8计数器电路封装为：图20：显示电路封装为：9.精度提高电路提高精度的要求是在保持数据个数（4096）不变的前提下，提高同一个波形的样本个数，使得输出波形更加精确，更接近理想波形。根据要求可设计出精度提高电路的原理，对于正弦波，改变同样配置的波形存储器的存储内容，让其只存储前四分之一个周期的内容，再通过波形翻折电路使得在不同的时间里输出对应翻折变换后的波形，从而完成整个正弦波波形的显示，也就是说通过牺牲4倍的频率来换取4倍的精度。接下来分析波形翻折电路的原理：前四分之一波形保持不变；第二个四分之一波形对输入的地址取反，完成了一个横向翻折变换；第三个四分之一波形对输出的数值取反，完成了一个纵向翻折变换；第四个四分之一波形既对地址取反也对数值取反，完成了一个中心对称变换，这样完整正弦信号的四个部分都得到了。最后，要在不同的时间段内输出对应的波形，这里依旧用到了lpm_mux选择单元，通过先前的累加电路得到的S[13]和S[14]控制完成波形的4选1操作。图21：地址取反电路封装为：数值取反电路与地址取反电路类似，不再赘述。图22：精度提高电路封装为：10.AM调制电路（1）AM调制原理通信理论中将信号调制定义为调制信号对载波的幅度、频率和相位进行变换。AM即标准调制信号，除了来自消息的基带信号外，还包含了直流信号，它是调制后输出信号既含载波分量又含有边带分量的标准调幅信号。在标准幅度调制器(AM)中，设载波信号为：调制信号为：则标准调幅波信号为：（2）AM调制电路设计AM调制器主要由两个乘法运算电路和一个加法运算电路组合而成。其中，第一个乘法电路完成DDS调制信号与调幅指数的相乘，再通过加法电路与量化值（此处设为1）的相加，最终和DDS载波信号通过第二个乘法电路完成相乘计算，进而实现AM调制器的功能，具体框图如下：图23：AM调制原理图（3）AM调制电路子模块①调节电路AM调制能幅度mA、载波频率和调制波频率进行调节，这里补充的调节电路负责调节幅度mA和载波的频率，其单个调节电路与先前的频率预置电路相同，不再赘述。图24：调节电路②调制电路调制电路是AM调制电路中关键的子模块，由原理图可以分析出，它由两个乘法器lpm_mult0和lpm_mult1以及一个加法器lpm_add_sub0级联构成，第一个乘法器将调制信号与调制度相乘送给加法器，加法器对调制信号进行量化，第二个乘法器将载波信号与量化后的调制信号相乘，得到最终调制好了的信号进行输出。由标准调幅波信号：可知：为了让AM信号[+]在任何时候都大于0，不产生过调失真，要加上“量化值1”，经过分析，这里的量化值应当取幅度指数*mA可能取到的最大值，经过理论分析与实际观察的反复比对，最终取了7665。图25：调制电路封装为：③译码、显示电路在进行AM调制时，DDS能在数码管上由低到高显示幅度调节度、调制波频率控制字、载波频率控制字，这里用到的译码电路与显示电路和基本电路里的类似，如图：图26：译码显示电路④AM开关电路由于本实验中DDS主要分为基本功能和AM调制功能两种，所以选用K8进行功能的切换。切换的原理是不改变电路运行而对输出进行选择，由于两种功能都需要在示波器上同时显示2个波形以及在数码管上显示相应的数字，所以使用4个lpm_mux选择单元进行选择输出。图27：AM开关电路封装为：AM调制电路依旧具有波形选择功能，引用前述波形选择电路对调制信号进行波形的切换，波形选择电路不再列入AM调制电路模块以及AM调制总图中。综合上述4个模块以及载波的累加器和存入正弦载波数据的ROM，进行连接，得到AM调制电路总图：图28：AM调制电路四、总电路图29：总电路五、实验波形1.基本电路波形（1）正弦波图中红色为余弦波，用于做相位变化对照；这样也实现了同时输出正余弦两路正交信号的功能。图30：正交波形（2）精确后的正弦波由原理可知，精确后一个周期内的取样点数增加为原先的四倍，波形频率缩减为原来的四分之一，从实验波形中可以明显的观察到这一变化。图31：精确后的正弦波形（3）三角波图32：三角波波形（4）锯齿波图33：锯齿波波形（5）方波图34：方波波形1.AM调制电路波形（1）AM调制正弦波图35：AM调制正弦波波形（2）AM调制锯齿波图36：AM调制锯齿波波形1图37：AM调制锯齿波波形2六、调试与编程下载安装驱动程序后，选择“Processing-startcomplication”进行全编译，编译通过后要进行管脚分配，选择“AssignmentsPins”，在打开的对话框中的“Location”栏中选择相应的管脚填入，并将未用到的管脚置为三态，最后将程序下载到SmartSOPC实验系统中运行，检验结果是否正确。图38：安装驱动程序1图39：安装驱动程序2图40：选择对应管脚图41：开始运行七、结论1．实验中遇到的问题和思考▲问题1：对ROM的精度提高和节省ROM分别的原理如何，有何区别？思考：提高精度的原理是改变同样配置的波形存储器的存储内容，让其只存储前四分之一个周期的内容，再通过波形翻折电路使得在不同的时间里输出对应翻折变换后的波形，从而完成整个正弦波波形的显示，也就是说通过牺牲4倍的频率来换取4倍的精度。而节省ROM的原理则不同，它将ROM结构配置的4096个数据个数改为1023个，而依旧存储正弦波形的一个完整周期，换言之，它通过牺牲4倍的精确度来节省4倍的存储空间。根据这个思路，可以设计出既节省ROM空间又不影响精度的ROM，只需要将二者组合，将节省的ROM中1024个数据单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节省后的ROM：40951023节省后的ROM：▲问题2：波形数据的求法有哪些？思考：除了用excel计算并列出波形参数外，还可以在MATLAB中调用函数求得或通过C++编程得到。▲问题3：将Excel中的正、余弦波形数据填入mif文件时，无法填入是为何？思考：由于ROM配置设置的数据宽度是1024，也就是说有符号波形数据只能从-511到511，而即便函数正确，Excel也会出现-512和512的数据导致超出范围，这时只要将这些数据点改为511即可。▲问题4：对于AM调制电路的实验波形而言，需要注意什么？如何改进？思考：为了贴近实际中AM调制的情况，应当将调制波频率调小，载波频率调大，使得调制波的一个周期内包含更多的已调波，直到已调波的包络与调制波波形近乎重合，才是一个比较理想的状态。从实验波形可以看出，虽然幅度较为准确，但依旧存在部分过调失真，量化值还需要修正。▲问题5：调试与仿真中出现的无反应和无波形的情况是为何？思考：由于调试与仿真是常用的方法，所以这也是一个很常见的问题，很多同学都是歪打正着出来的，经过不断摸索发现，这种问题来源于调试未置顶、仿真文件与先前仿真文件重叠，未修改路径等等，我的解决方法一般为：先保存一个新命名的文件，进行调试后，在SimulatorTools选项中采用Functional理想仿真的方法进行仿真，很好地解决了这个问题。▲问题6：在总电路设计完成后，如何快速准确地检查其中的错误？思考：这是一个方法性的问题，纠错能力对于EDA综合能力而言非常重要，我在其中也下了很大功夫。在将程序下载到SmartSOPC实验系统中运行之后出现过各种各样的问题，有不显示、不变化、错乱、拓展功能缺失等等，在一步步纠错过程中，我从原理出发，追根溯源，顺藤摸瓜，找清问题所在的大致模块。如不显示往往是译码显示电路的问题，不变化往往是分频电路和计时电路的问题，拓展功能缺失则是对应功能模块的问题。在找到大致方向后，开始逐步检查错误，在难以辨别错误的情况下，一个模块一个模块检查，可采用理想化条件法，将某个模块前一级的输出参数进行