FPGA波形发生器实验报告

1、实验报告册 课程名称： Verilog HDL数字系统设计 实验项目名称： 频率可变的任意波形发生器 学 院： 电子科学与技术 专 业： 微电子 班 级： 二班 报 告 人： 黄日才 学 号： 2008160120 指导教师： 刘春平 老师 实验时间： 2011.01.06 提交时间： 实验结论：经过不断的试验，最终完成了该实验设计的基本要求，输出四种不同的波形实现信号频率可调，并且在这基础上调用了FPGA芯片集成锁相环，增加了输出信号幅度可调。经过测试显示输出波形信号稳定。一、 实验目的利用DE2实验板和DVCC试验箱的DA转换器设计出可出任意波形且频率可调的信号发生器，也就是基于FPGA的

2、用Verilog描述的直接数字频率合成器（DDS）。 二、 设计方案及其原理说明：DDS是一种把数字信号通过数/模转换器转换成模拟信号的合成技术。它由相位累加器、相幅转换函数表、D/A转换器以及内部时序控制产生器等电路组成。参考频率f_clk为整个合成器的工作频率,输入的频率字保存在频率寄存器中,经位相位累加器,累加一次,相位步进增加,经过内部ROM波形表得到相应的幅度值,经过D/A转换和低通滤波器得到合成的波形。P为频率字,即相位增量;参考频率为_clk;相位累加器的长度为位,输出频率_out为：F_out输出信号的频率；N相位累加器的位数；P频率控制字（步长）；F_clk基准时钟频率。1、

3、系统总体设计方案框架图：FPGA图 1-1 系统总体设计方案2、四种波形单周期的取样示意图： 3、本实验采用每个周期取样16次，以便产生的波形更加的平滑。函数查找表的设计：（十进制）地址（8位二进制）rom的值012011652204323042405230620471658120974103511912013914351574地址rom的值161017101810191020102110221023102425025250262502725028250292503025031250地址rom的值3230336034903512036150371803821039240402104118042

4、15043120449045604630470地址rom的值4824049210501805115052120539054605530560573058605990601206115062180632104、程序思路 1）分频器控制读取rom的步长，通过输入变量改变分频器计数器的计数总量，控制分频实验频率可调。 2）制作rom，通过一个函数实现，给函数输入一个地址，通过case语句输出一个值。3）波形选择，同个if语句选择地址计数器输出的值，从而输出四种不同的波形4）锁相环（附加），调用FPGA芯片集成的锁相环模块，让输出的相位更加的稳定。5）调幅（附加），通过在rom的值除以不同的值来控制改

5、变输出信号的幅度。三、 程序及具体方法注释module dds_ver(clk_50MHz,fout,change,freq,key0 );input clk_50MHz; /输入50MHz的全局时钟input1:0 change; /定义输入变量，用来切换输出波形，一共4个档位input 2:0 freq; /定义输入变量，用来改变输出信号的频率，一共8个档位 output 7:0 fout; /输出8为rom的值，用来驱动DA转化芯片，输出波形input key0; /定义输入变量，用来改变幅值计数器的值，从而改变幅值/调用FPGA芯片集成的锁相环模块，让输出的波形相位更稳定pllpll_

6、inst (.inclk0 ( clk_50MHz ),.c0 ( clk_pll );wire 7:0 fout;/分频功能，根据输入变量的不同实现不同的分频，用于读取rom的步长reg clk;reg 15:0 cnt;always (posedge clk_pll) /利用计数器实现任意分频begin if(cnt=(50*(freq+1) /设定频率控制字节begin cnt=0;clk=clk;end elsecnt=cnt+1;end/调幅功能，输入key0更变计数器cntvol的值，从而更变输出信号的幅度reg 2:0 cntvol;always(negedge key0)beg

7、in if (cntvol>=1&&cntvol<7) cntvol<=cntvol+1'd1; else cntvol<=1'b1;end/地址累加器，实现地址的分段累加，从而实现四种不同波形的切换输出reg 5:0 addr;always (posedge clk)begin begin if(change=0) begin if(addr>=0&&addr<15) /切换正弦波 addr=addr+1; else addr=0; end else if(change=1) begin if(addr>

8、;=16&&addr<31) /切换方波 addr=addr+1; else addr=16; end else if(change=2) begin if(addr>=32&&addr<47) /切换正三角波 addr=addr+1; else addr=32; end else if(change=3) begin if(addr>=48&&addr<63) /切换反三角波 addr=addr+1; else addr=48; end endend/制作rom的函数function 7:0 rom;input 6

9、3:0 address;case(address) 0:rom=120/cntvol; /正弦波的rom值 1:rom=165/cntvol; 2:rom=204/cntvol; 3:rom=230/cntvol; 4:rom=240/cntvol; 5:rom=230/cntvol; 6:rom=204/cntvol; 7:rom=165/cntvol; 8:rom=120/cntvol; 9:rom=74/cntvol; 10:rom=35/cntvol; 11:rom=9/cntvol; 12:rom=0/cntvol; 13:rom=9/cntvol; 14:rom=35/cntvol

10、; 15:rom=74/cntvol; 16:rom=10/cntvol; /方波的rom值 17:rom=10/cntvol; 18:rom=10/cntvol; 19:rom=10/cntvol; 20:rom=10/cntvol; 21:rom=10/cntvol; 22:rom=10/cntvol; 23:rom=10/cntvol; 24:rom=250/cntvol; 25:rom=250/cntvol; 26:rom=250/cntvol; 27:rom=250/cntvol; 28:rom=250/cntvol; 29:rom=250/cntvol; 30:rom=250/cn

11、tvol; 31:rom=250/cntvol; 32:rom=30/cntvol; /正三角波的rom值 33:rom=60/cntvol; 34:rom=90/cntvol; 35:rom=120/cntvol; 36:rom=150/cntvol; 37:rom=180/cntvol; 38:rom=210/cntvol; 39:rom=240/cntvol; 40:rom=210/cntvol; 41:rom=180/cntvol; 42:rom=150/cntvol; 43:rom=120/cntvol; 44:rom=90/cntvol; 45:rom=60/cntvol; 46:

12、rom=30/cntvol; 47:rom=0/cntvol; 48:rom=240/cntvol; /反弦波的rom值 49:rom=210/cntvol; 50:rom=180/cntvol; 51:rom=150/cntvol; 52:rom=120/cntvol; 53:rom=90/cntvol; 54:rom=60/cntvol; 55:rom=30/cntvol; 56:rom=0/cntvol; 57:rom=30/cntvol; 58:rom=60/cntvol; 59:rom=90/cntvol; 60:rom=120/cntvol; 61:rom=150/cntvol;

13、62:rom=180/cntvol; 63:rom=210/cntvol;endcaseendfunctionassign fout=rom(addr);/ /把读到的rom的值赋给输出端口，输出驱动DA转换芯片endmodule四、 实验结果 及分析1、QuartusII仿真 结果2、下载到DE2实验板连接到DVCC试验箱用示波器显示输出的各种波形图1）输出正弦波2)输出正弦波频率调节3)输出正弦波幅值调节4)输出方波5)输出正三角波6）输出正三角波3、结果分析通过仿真和搭建实验平台。成功完成了实验设计的要求输出波形有很严重的锯齿现象，但是基本上显示出了完整的波形，实现了设计的波形切换输出、

14、频率可调和幅值可调，前后比较了没有加入锁相环和加入锁相环模块输出波形的质量，加入锁相环值之后波形稳定很多。输出波形的质量只要取决于信号周期取样的频率，取样点越多输出波形的失真越小，当然跟取样点的准确性也有很大关系，但是rom的值是通过MATLAB产生的，准确性很高。为了验证这个结论，决定每个信号周期取256个点（8为DA转换最大取样点256个）再进行实验，观察实验结果。输出波形质量明显提高。实验结果波形图如下：1）正弦波2)方波 3）三角波 4）锯齿波说明：由于觉得正三角波和反三角波只是相位上相差180度，显示出来的波形没有区别，这是由于采用取值法决定的，取值是包括了DA输出负值的点，所以没有

15、正三角波和负三角波在显示上占有180度相位差的区别。所以把反三角波改成输出锯齿波。（这只是取样点不同，没有本质其别）当然，这些输出信号也是可以调节频率和幅度的。五、 实验结论：经过不断的试验，最终完成了该实验设计的基本要求，输出四种不同的波形实现信号频率可调，并且在此基础上调用了锁相环技术，增加了输出信号幅度可调。经过测量显示输出波形信号稳定。通过该信号发生器的设计，学习和掌握了DA转换，更加熟练地使用Verilog语言描述硬件电路和信号的输出，也更加熟练地掌语言编写过程中的握数据的控制、运用quartusII仿真和调用modelsim仿真。熟悉软件在编译过程中出现的错误和排除这些错误。在搭建实验平台的过程中，由于没有使用过DVCC实验箱，所以遇到麻烦，开始没有使DE2板和DVCC试验箱共地，所以输不出波形，但是有些同学没有共地也能输出波形，而我试验之后发现我的实验平台只有共地才能输出完整波形，理论上也是需要所有的实验系统共地才不会影响信号完整性输出的。编写代码时应该细分代码实现的功能，从很小的一个功能部分开始编写，不能全部一起编写，要先编写一小部分进行仿真。测