基于FPGA的直接数字频率合成器设计

1、 JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FPGA技术实验报告 基于FPGA的直接数字频率合成器设计学 院： 电气信息工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 戴霞娟、陈海忠 时 间: 2015年9月17日 25 目 录1.功能要求22. 方案设计及原理框图22.1 方案设计22.2 原理框图32.2.1输入电路32.2.2FPGA电路32.2.3D/A转换电路43. 硬件电路设计及原理分析43.1 硬件电路图43.2 原理分析53.3 DAC0832转换器53.4 LM358芯片54.程序模块设计、仿真结果及分析64.1顶层模块64

2、.2分频模块64.3 时钟模块104.4正弦波产生模块114.5三角波产生模块134.6方波产生模块154.7锯齿波产生模块174.8波形选择模块195. 软硬件调试205.1软件调试225.2硬件调试226.调试结果说明257.心得体会258.参考文献25附 录261.功能要求 通过本课题训练，使学生掌握使用FPGA实现频率合成的方法。要求学生根据正弦波形发生器的设计实例，举一反三，设计多功能波形发生器。该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波和由用户编辑的特定形状波形，并且幅度、频率可调。具体要求如下:基本要求：（1）具有产生正弦波、方波、三角波、锯齿波4种周期性波形的功能。（2）输

3、出波形的频率范围为100HZ200kHZ；至少可以输出8种频率的波形。（3）输出波形幅度不大于5V（峰-峰值），且幅度可调。扩展要求：（1） 在频率范围为100HZ200kHZ内，频率步进间隔100HZ。（2） 输出波形幅度范围05V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。（3） 用LCD1602显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度。（4） 用键盘输入编辑生成上述4种波形（同周期）的线性组合波形。（5） 用键盘和其他输入装置产生任意波形。（6） 具有波形存储功能。2. 方案设计及原理框图2.1方案设计 利用FPGA来完成设计，FPGA编程灵活，可以实现三角波、方波、锯齿波和正弦波

4、的数字化处理，将一个周期内的采样点存储起来，生成频率可调的正弦波、方波、锯齿波或者三角波，再通过D/A转换和滤波电路便可得到模拟波形。利用该方法，编程简单，实现灵活。2.2原理框图 数字信号发生器系统主要由输入部分、FPGA部分、D/A转换部分、频率调节和波形转换部分组成。原理框图如下图1：调频3分频器FPGA部分系 统 控 制 器时钟复位波形调频1调频2正弦波三角波方波锯齿波波 形 DA 转 换滤波输出 图1：多功能波形信号发生器原理框图2.2.1输入部分输入部分包含以下功能按键：时钟、复位、波形、调频1、调频2和调频3。（1）时钟：标准的50MHZ时钟输入。（2）复位：低电平复位。（3）波

5、形：为波形输出选择开关，可以选择单波形的输出。（4）调频1,2，3：可以改变正弦波、三角波、方波和锯齿波的频率，总共可以输出8种不同频率。2.2.2FPGA部分 FPGA是整个系统的核心，包括系统控制器、波形数据生成器、加法器、运算/译码、分频器等电路。各部分具体功能如下：系统控制器：控制系统的每个部分状态之间的协调。 分频：分频系数有的固定不变，也有可改变的。 正弦波：通过循环不断地从RAM中依次读取正弦波一个周期在时域上1024个采样点的波形数据送入波形DAC，从而产生正弦波。正弦波的频率取决于读取数据的速度。 三角波：三角波波形是对称的，每边呈线性变化，所以可以根据地址数据做简单运算，就

6、可以得到三角波。 锯齿波：产生单调性锯齿波，因此把地址数据进行左移2位，结果送波形DAC就可。 方波：方波产生有1024个采样点组成，1024个采样点的数据只有“低电平”和“高电平”2种状态。2.2.3波形D/A转换部分 采用具有8位分辨率的D/A转换集成芯片DAC0832作为多种波形发生器的数模转换器。由于多种波形发生器制使用一路D/A转换，因而DAC0832可连续接成单缓冲器方式。另外，因DAC0832是一种电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需外接运放来实现电流转换为电压。 由于在实际使用中输出波形不仅需要单极性的（0+5V或-50V） 有时还需要双极性的（5V）,因而可用两组

7、运算放大器作为模拟电压输出电路，运放可选用LM358,其片内集成了两个运算放大器。3. 硬件电路设计及原理分析3.1硬件电路图 图2：波形信号发生器硬件电路图3.2原理分析 本设计的工作原理为将要产生的波形数据存入波形存储器 ,然后在参考时钟的作用下 ,对输入的频率数据进行累加 ,并且将累加器的输出一部分作为读取波形存储器的地址 ,将读出的波形数据经D/A转换为相应的模拟电压信号。本研究的重点就是用VHDL来实现DDS的功能 ,能够达到高精度的输出 ,同时标准波形数据生成存放在 ROM 中 ,可以简化运算过程 ,提高运算速度 ,加快反应时间。3.3 DAC0832转换器 DAC0832是双列直

8、插式8位D/A转换器，在电路中DAC0832被接成单缓冲器方式。它的ILE，VCC，8脚与+5V相连，CS,XFER,WR2,WR1,3脚，10脚与GND相连，WR1与CP信号相连。这样DAC0832的8位DAC寄存器始终处于导通状态，因此当CP变成低电平时，数据线上的数据便可直接通过8位DAC寄存器，并有其8位D/A转换器进行转换。 图3： DAC0832芯片引脚图3.4 LM358芯片 LM358是常用的双运，LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电

9、的使用运放的地方使用。 图4： LM358芯片引脚图4. 程序模块设计、仿真结果分析 波形发生器可以由顶层模块、分频模块、时钟模块、正弦波产生模块、三角波产生模块、方波产生模块和输出波形选择模块组成。4.1顶层模块 顶层文件将已经设计的各个模块联系在一起成为一个整体，实验时使用Quartus9.0编写VHDL程序实现顶层文件设计。顶层文件仿真图如下5: 图5： 顶层文件仿真图4.2分频模块 根据DAC0832 输出控制时序，利用接口电路图，DAC0832是8位的D/A转换器，转换周期为1s，又因为FPGA的系统时钟为50MHz，必须对其进行分频处理，实验使用100分频,实验时使用Quartus

10、9.0编写VHDL程序生成时钟分频器。VHDL程序：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY wxm_CLK ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC;EN,EN1,EN2:IN STD_LOGIC;CLKOUT:OUT STD_LOGIC);END;ARCHITECTURE BEHAVE OF wxm_CLK ISSIGNAL CNT:STD_LOGIC_VECTOR(19 DOWNTO 0);SIGNAL EN3,EN4,EN5: STD_LOGIC;SIGNAL E

11、N6:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);BEGINEN6=EN3&EN4&EN5;PROCESS(EN)BEGINIF ENEVENT AND EN=0 THEN IF EN3 =0 THEN EN3=1;ELSEEN3=0;END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(EN1)BEGINIF EN1EVENT AND EN1=0 THEN IF EN4 =0 THEN EN4=1;ELSEEN4=0;END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(EN2)BEGINIF EN2EVENT AND EN2=0 THEN IF E

12、N5 =0 THEN EN5=1;ELSEEN54 THENCNT0);CLKOUT2 THENCLKOUT=1;CNT=CNT+1;ELSECNT8 THENCNT0);CLKOUT4 THENCLKOUT=1;CNT=CNT+1;ELSECNT16 THENCNT0);CLKOUT8 THENCLKOUT=1;CNT=CNT+1;ELSECNT30 THENCNT0);CLKOUT15 THENCLKOUT=1;CNT=CNT+1;ELSECNT62 THENCNT0);CLKOUT31 THENCLKOUT=1;CNT=CNT+1;ELSECNT124 THENCNT0);CLKOUT6

13、2 THENCLKOUT=1;CNT=CNT+1;ELSECNT250 THENCNT0);CLKOUT125 THENCLKOUT=1;CNT=CNT+1;ELSECNT500 THENCNT0);CLKOUT250 THENCLKOUT=1;CNT=CNT+1;ELSECNT=CNT+1;END IF;END IF;END PROCESS;END;4.3时钟模块 图6VHDL程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT1024 ISPORT(CLK:IN STD_L

14、OGIC; Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(9 DOWNTO 0);END;ARCHITECTURE BHV OF CNT1024 ISSIGNAL Q1:STD_LOGIC_VECTOR(9 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Q1=Q1+1;END IF;END PROCESS;Q=Q1;END;4.4正弦波产生模块该模块输入信号由时钟(clk)和复位信号(reset)构成,当信号发生器选择信号(sel2.0)为4时,该模块输出端(q9.0)对外输出。模块振幅随时钟的变化阶梯性递增,输出波形参

15、数可以通过程序进行设定。VHDL程序为：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY altera_mf;USE altera_mf.all;ENTITY cyy_sin ISPORT(address: IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);clock: IN STD_LOGIC ;q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);END cyy_sin;ARCHITECTURE SYN OF cyy_sin ISSIGNAL sub_wire0: STD_LOGIC_VECTOR (9 D

16、OWNTO 0);COMPONENT altsyncramGENERIC (clock_enable_input_a: STRING;clock_enable_output_a: STRING;init_file: STRING;intended_device_family: STRING;lpm_hint: STRING;lpm_type: STRING;numwords_a : NATURAL;operation_mode: STRING;outdata_aclr_a: STRING;outdata_reg_a: STRING;widthad_a: NATURAL;width_a: NAT

17、URAL;width_byteena_a: NATURAL);PORT (clock0: IN STD_LOGIC ;address_a: IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);q_a: OUT STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);END COMPONENT;BEGINq BYPASS,clock_enable_output_a = BYPASS,init_file = E:/wxm/wxm_sin.mif,intended_device_family = Cyclone II,lpm_hint = ENABLE_RUNTIME_MOD=NO

18、,lpm_type = altsyncram,numwords_a = 1024,operation_mode = ROM,outdata_aclr_a = NONE,outdata_reg_a = CLOCK0,widthad_a = 10,width_a = 10,width_byteena_a = 1)PORT MAP (clock0 = clock,address_a = address,q_a = sub_wire0);END SYN;仿真结果：4.5三角波产生模块 该模块输入信号由时钟(clk)和复位信号(reset)构成,当信号发生器选择信号(sel2.0)为2时,该模块输出端(

19、q9.0)对外输出。模块内计数器随时钟先递增后递减,波形随之先递增后递减,输出波形参数可以通过程序进行设定。VHDL程序LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY altera_mf;USE altera_mf.all;ENTITY cyy_sj ISPORT(address: IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0); clock: IN STD_LOGIC ; q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);END cyy_sj;ARCHITECTURE SYN OF cyy_sj IS

20、SIGNAL sub_wire0: STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);COMPONENT altsyncramGENERIC (clock_enable_input_a: STRING;clock_enable_output_a: STRING;init_file: STRING;intended_device_family: STRING;lpm_hint: STRING;lpm_type: STRING;numwords_a: NATURAL;operation_mode: STRING;outdata_aclr_a: STRING;outdata_reg_a:

21、STRING;widthad_a: NATURAL;width_a: NATURAL;width_byteena_a: NATURAL);PORT (clock0: IN STD_LOGIC ;address_a: IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);q_a: OUT STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);END COMPONENT;BEGINq BYPASS,clock_enable_output_a = BYPASS,init_file = E:/wxm/wxm_sj.mif,intended_device_family = Cyclon

22、e II,lpm_hint = ENABLE_RUNTIME_MOD=NO,lpm_type = altsyncram,numwords_a = 1024,operation_mode = ROM,outdata_aclr_a = NONE,outdata_reg_a = CLOCK0,widthad_a = 10,width_a = 10,width_byteena_a = 1)PORT MAP (clock0 = clock, address_a = address, q_a = sub_wire0);END SYN;仿真结果：4.6方波产生模块 该模块输入信号由时钟(clk)和复位信号(

23、reset)构成,当信号发生器选择信号(sel2.0)为5时,该模块输出端(q 9.0)对外输出。模块振幅随时钟的变化持续变为高电平 或低电平,输出波形参数可以通过程序进行设定。VHLIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY altera_mf;USE altera_mf.all;ENTITY cyy_square ISPORT(address: IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);clock: IN STD_LOGIC ;q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);END cyy

24、_square；ARCHITECTURE SYN OF cyy_square ISSIGNAL sub_wire0: STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);COMPONENT altsyncramGENERIC (clock_enable_input_a: STRING;clock_enable_output_a: STRING;init_file: STRING;intended_device_family: STRING;lpm_hint: STRING;lpm_type: STRING;numwords_a: NATURAL;operation_mode: STRI

25、NG;outdata_aclr_a: STRING;outdata_reg_a: STRING;widthad_a: NATURAL;width_a: NATURAL;width_byteena_a: NATURAL);PORT (clock0: IN STD_LOGIC ;address_a: IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);q_a: OUT STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);END COMPONENTBEGINq BYPASS,clock_enable_output_a = BYPASS,init_file = E:/wxm/wx

26、m_square.mif,intended_device_family = Cyclone II,lpm_hint = ENABLE_RUNTIME_MOD=NO,lpm_type = altsyncram,numwords_a = 1024,operation_mode = ROM,outdata_aclr_a = NONE,outdata_reg_a = CLOCK0,widthad_a = 10,width_a = 10,width_byteena_a = 1)PORT MAP (clock0 = clock,address_a = address,q_a = sub_wire0);EN

27、D SYN；仿真结果：4.7锯齿波产生模块VHDL程序：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;LIBRARY altera_mf;USE altera_mf.all;ENTITY cyy_jc ISPORT(address: IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0); clock: IN STD_LOGIC ; q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);END cyy_jc;ARCHITECTURE SYN OF cyy_jc ISSIGNAL sub_wire0: STD_LOGIC_VECT

28、OR (9 DOWNTO 0);COMPONENT altsyncramGENERIC (clock_enable_input_a: STRING;clock_enable_output_a: STRING;init_file: STRING;intended_device_family: STRING;lpm_hint: STRING;lpm_type: STRING;numwords_a: NATURAL;operation_mode: STRING;outdata_aclr_a: STRING;outdata_reg_a: STRING;widthad_a: NATURAL;width_

29、a: NATURAL;width_byteena_a: NATURAL);PORT (clock0: IN STD_LOGIC ;address_a: IN STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);q_a: OUT STD_LOGIC_VECTOR (9 DOWNTO 0);END COMPONENT;BEGINq BYPASS,clock_enable_output_a = BYPASS,init_file = E:/wxm/wxm_jc.mif,intended_device_family = Cyclone II,lpm_hint = ENABLE_RUNTIME_M

30、OD=NO,lpm_type = altsyncram,numwords_a = 1024,operation_mode = ROM,outdata_aclr_a = NONE,outdata_reg_a = CLOCK0,widthad_a = 10,width_a = 10,width_byteena_a = 1)PORT MAP (clock0 = clock,address_a = address,q_a = sub_wire0);END SYN;4.8输出波形选择模块VHDL程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY cyy_M

31、UX ISPORT(Q1,Q2,Q3,Q4:IN STD_LOGIC_VECTOR(9 DOWNTO 0);A1,A0:IN STD_LOGIC;Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(9 DOWNTO 0);END;ARCHITECTURE ONE OF cyy_MUX ISSIGNAL A:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);SIGNAL A2,A3:STD_LOGIC;BEGINPROCESS(A1)BEGINIF A1EVENT AND A1=0 THEN IF A2=0 THENA2=1;ELSE A2=0;END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(A0)BEGINIF A0EVENT AND A0=0 THEN IF A3=0 THENA3=1;ELSEA3=0;END IF;END IF;END PROCESS;A=A2&A3;Q=Q1 WHEN A=11 ELSEQ2 WHEN A=10 ELSEQ3 WHEN A=01 ELSEQ4;END;5. 软硬件调试5.1软件调试 程序编写完成且准确无误后，将FPGA板接入计算机，安装完成后下载，逻辑分析仪显示下图所示正弦波波形。 三角波、方波、锯齿波的