基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成器設(shè)計

1、 JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FPGA技術(shù)實驗報告 基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成器設(shè)計學 院： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 戴霞娟、陳海忠 時 間: 2015年9月17日 25 目 錄1.功能要求22. 方案設(shè)計及原理框圖22.1 方案設(shè)計22.2 原理框圖32.2.1輸入電路32.2.2FPGA電路32.2.3D/A轉(zhuǎn)換電路43. 硬件電路設(shè)計及原理分析43.1 硬件電路圖43.2 原理分析53.3 DAC0832轉(zhuǎn)換器53.4 LM358芯片54.程序模塊設(shè)計、仿真結(jié)果及分析64.1頂層模塊64

2、.2分頻模塊64.3 時鐘模塊104.4正弦波產(chǎn)生模塊114.5三角波產(chǎn)生模塊134.6方波產(chǎn)生模塊154.7鋸齒波產(chǎn)生模塊174.8波形選擇模塊195. 軟硬件調(diào)試205.1軟件調(diào)試225.2硬件調(diào)試226.調(diào)試結(jié)果說明257.心得體會258.參考文獻25附 錄261.功能要求 通過本課題訓練，使學生掌握使用FPGA實現(xiàn)頻率合成的方法。要求學生根據(jù)正弦波形發(fā)生器的設(shè)計實例，舉一反三，設(shè)計多功能波形發(fā)生器。該波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波和由用戶編輯的特定形狀波形，并且幅度、頻率可調(diào)。具體要求如下:基本要求：（1）具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波4種周期性波形的功能。（2）輸

3、出波形的頻率范圍為100HZ200kHZ；至少可以輸出8種頻率的波形。（3）輸出波形幅度不大于5V（峰-峰值），且幅度可調(diào)。擴展要求：（1） 在頻率范圍為100HZ200kHZ內(nèi)，頻率步進間隔100HZ。（2） 輸出波形幅度范圍05V（峰-峰值），可按步進0.1V（峰-峰值）調(diào)整。（3） 用LCD1602顯示輸出波形的類型、重復(fù)頻率（周期）和幅度。（4） 用鍵盤輸入編輯生成上述4種波形（同周期）的線性組合波形。（5） 用鍵盤和其他輸入裝置產(chǎn)生任意波形。（6） 具有波形存儲功能。2. 方案設(shè)計及原理框圖2.1方案設(shè)計 利用FPGA來完成設(shè)計，F(xiàn)PGA編程靈活，可以實現(xiàn)三角波、方波、鋸齒波和正弦波

4、的數(shù)字化處理，將一個周期內(nèi)的采樣點存儲起來，生成頻率可調(diào)的正弦波、方波、鋸齒波或者三角波，再通過D/A轉(zhuǎn)換和濾波電路便可得到模擬波形。利用該方法，編程簡單，實現(xiàn)靈活。2.2原理框圖 數(shù)字信號發(fā)生器系統(tǒng)主要由輸入部分、FPGA部分、D/A轉(zhuǎn)換部分、頻率調(diào)節(jié)和波形轉(zhuǎn)換部分組成。原理框圖如下圖1：調(diào)頻3分頻器FPGA部分系 統(tǒng) 控 制 器時鐘復(fù)位波形調(diào)頻1調(diào)頻2正弦波三角波方波鋸齒波波 形 DA 轉(zhuǎn) 換濾波輸出 圖1：多功能波形信號發(fā)生器原理框圖2.2.1輸入部分輸入部分包含以下功能按鍵：時鐘、復(fù)位、波形、調(diào)頻1、調(diào)頻2和調(diào)頻3。（1）時鐘：標準的50MHZ時鐘輸入。（2）復(fù)位：低電平復(fù)位。（3）波

5、形：為波形輸出選擇開關(guān)，可以選擇單波形的輸出。（4）調(diào)頻1,2，3：可以改變正弦波、三角波、方波和鋸齒波的頻率，總共可以輸出8種不同頻率。2.2.2FPGA部分 FPGA是整個系統(tǒng)的核心，包括系統(tǒng)控制器、波形數(shù)據(jù)生成器、加法器、運算/譯碼、分頻器等電路。各部分具體功能如下：系統(tǒng)控制器：控制系統(tǒng)的每個部分狀態(tài)之間的協(xié)調(diào)。 分頻：分頻系數(shù)有的固定不變，也有可改變的。 正弦波：通過循環(huán)不斷地從RAM中依次讀取正弦波一個周期在時域上1024個采樣點的波形數(shù)據(jù)送入波形DAC，從而產(chǎn)生正弦波。正弦波的頻率取決于讀取數(shù)據(jù)的速度。 三角波：三角波波形是對稱的，每邊呈線性變化，所以可以根據(jù)地址數(shù)據(jù)做簡單運算，就

6、可以得到三角波。 鋸齒波：產(chǎn)生單調(diào)性鋸齒波，因此把地址數(shù)據(jù)進行左移2位，結(jié)果送波形DAC就可。 方波：方波產(chǎn)生有1024個采樣點組成，1024個采樣點的數(shù)據(jù)只有“低電平”和“高電平”2種狀態(tài)。2.2.3波形D/A轉(zhuǎn)換部分 采用具有8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片DAC0832作為多種波形發(fā)生器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。由于多種波形發(fā)生器制使用一路D/A轉(zhuǎn)換，因而DAC0832可連續(xù)接成單緩沖器方式。另外，因DAC0832是一種電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，要獲得模擬電壓輸出時，需外接運放來實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換為電壓。 由于在實際使用中輸出波形不僅需要單極性的（0+5V或-50V） 有時還需要雙極性的（±5V）,

7、因而可用兩組運算放大器作為模擬電壓輸出電路，運放可選用LM358,其片內(nèi)集成了兩個運算放大器。3. 硬件電路設(shè)計及原理分析3.1硬件電路圖 圖2：波形信號發(fā)生器硬件電路圖3.2原理分析 本設(shè)計的工作原理為將要產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)存入波形存儲器 ,然后在參考時鐘的作用下 ,對輸入的頻率數(shù)據(jù)進行累加 ,并且將累加器的輸出一部分作為讀取波形存儲器的地址 ,將讀出的波形數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號。本研究的重點就是用VHDL來實現(xiàn)DDS的功能 ,能夠達到高精度的輸出 ,同時標準波形數(shù)據(jù)生成存放在 ROM 中 ,可以簡化運算過程 ,提高運算速度 ,加快反應(yīng)時間。3.3 DAC0832轉(zhuǎn)換器 DAC08

8、32是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器，在電路中DAC0832被接成單緩沖器方式。它的ILE，VCC，8腳與+5V相連，CS,XFER,WR2,WR1,3腳，10腳與GND相連，WR1與CP信號相連。這樣DAC0832的8位DAC寄存器始終處于導通狀態(tài)，因此當CP變成低電平時，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)便可直接通過8位DAC寄存器，并有其8位D/A轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。 圖3： DAC0832芯片引腳圖3.4 LM358芯片 LM358是常用的雙運，LM358里面包括有兩個高增益、獨立的、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可

9、用單電源供電的使用運放的地方使用。 圖4： LM358芯片引腳圖4. 程序模塊設(shè)計、仿真結(jié)果分析 波形發(fā)生器可以由頂層模塊、分頻模塊、時鐘模塊、正弦波產(chǎn)生模塊、三角波產(chǎn)生模塊、方波產(chǎn)生模塊和輸出波形選擇模塊組成。4.1頂層模塊 頂層文件將已經(jīng)設(shè)計的各個模塊聯(lián)系在一起成為一個整體，實驗時使用Quartus9.0編寫VHDL程序?qū)崿F(xiàn)頂層文件設(shè)計。頂層文件仿真圖如下5: 圖5： 頂層文件仿真圖4.2分頻模塊 根據(jù)DAC0832 輸出控制時序，利用接口電路圖，DAC0832是8位的D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換周期為1s，又因為FPGA的系統(tǒng)時鐘為50MHz，必須對其進行分頻處理，實驗使用100分頻,實驗時使用Q

10、uartus9.0編寫VHDL程序生成時鐘分頻器。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;SI

11、GNAL EN6:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);BEGINEN6<=EN3&EN4&EN5;PROCESS(EN)BEGINIF EN'EVENT AND EN='0' THEN IF EN3 ='0' THEN EN3<='1'ELSEEN3<='0'END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(EN1)BEGINIF EN1'EVENT AND EN1='0' THEN IF EN4 ='0' T

12、HEN EN4<='1'ELSEEN4<='0'END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(EN2)BEGINIF EN2'EVENT AND EN2='0' THEN IF EN5 ='0' THEN EN5<='1'ELSEEN5<='0'END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(CLK,EN6)BEGINIF CLK'EVENT AND CLK='1' AND EN6="000&

13、quot; THENIF CNT>4 THENCNT<=(OTHERS=>'0');CLKOUT<='0'ELSIF CNT>2 THENCLKOUT<='1'CNT<=CNT+1;ELSECNT<=CNT+1;END IF;ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' AND EN6="001" THENIF CNT>8 THENCNT<=(OTHERS=>'0');CLKOUT<='0'

14、ELSIF CNT>4 THENCLKOUT<='1'CNT<=CNT+1;ELSECNT<=CNT+1;END IF;ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' AND EN6="010" THENIF CNT>16 THENCNT<=(OTHERS=>'0');CLKOUT<='0'ELSIF CNT>8 THENCLKOUT<='1'CNT<=CNT+1;ELSECNT<=CNT+1;END IF;

15、ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' AND EN6="011" THENIF CNT>30 THENCNT<=(OTHERS=>'0');CLKOUT<='0'ELSIF CNT>15 THENCLKOUT<='1'CNT<=CNT+1;ELSECNT<=CNT+1;END IF;ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' AND EN6="100" THENIF CNT>6

16、2 THENCNT<=(OTHERS=>'0');CLKOUT<='0'ELSIF CNT>31 THENCLKOUT<='1'CNT<=CNT+1;ELSECNT<=CNT+1;END IF;ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' AND EN6="101" THENIF CNT>124 THENCNT<=(OTHERS=>'0');CLKOUT<='0'ELSIF CNT>62 T

17、HENCLKOUT<='1'CNT<=CNT+1;ELSECNT<=CNT+1;END IF;ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' AND EN6="110" THENIF CNT>250 THENCNT<=(OTHERS=>'0');CLKOUT<='0'ELSIF CNT>125 THENCLKOUT<='1'CNT<=CNT+1;ELSECNT<=CNT+1;END IF;ELSIF CLK'

18、;EVENT AND CLK='1' AND EN6="111" THENIF CNT>500 THENCNT<=(OTHERS=>'0');CLKOUT<='0'ELSIF CNT>250 THENCLKOUT<='1'CNT<=CNT+1;ELSECNT<=CNT+1;END IF;END IF;END PROCESS;END;4.3時鐘模塊 圖6VHDL程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.S

19、TD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT1024 ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC; 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 CLK'EVENT AND CLK='1' THEN Q1<=Q1+1;END IF;END PROCESS;Q<=Q1;END;4.4正弦波產(chǎn)生模塊該模塊輸入信號由時鐘(

20、clk)和復(fù)位信號(reset)構(gòu)成,當信號發(fā)生器選擇信號(sel2.0)為4時,該模塊輸出端(q9.0)對外輸出。模塊振幅隨時鐘的變化階梯性遞增,輸出波形參數(shù)可以通過程序進行設(shè)定。VHDL程序為：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);EN

21、D cyy_sin;ARCHITECTURE SYN OF cyy_sin 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

22、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 COMPONENT;BEGINq <= sub_wire0(9 DOWNTO 0); altsyncram_component : altsyn

23、cramGENERIC MAP (clock_enable_input_a => "BYPASS",clock_enable_output_a => "BYPASS",init_file => "E:/wxm/wxm_sin.mif",intended_device_family => "Cyclone II",lpm_hint => "ENABLE_RUNTIME_MOD=NO",lpm_type => "altsyncram",numw

24、ords_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;仿真結(jié)果：4.5三角波產(chǎn)生模塊 該模塊輸入信號由時鐘

25、(clk)和復(fù)位信號(reset)構(gòu)成,當信號發(fā)生器選擇信號(sel2.0)為2時,該模塊輸出端(q9.0)對外輸出。模塊內(nèi)計數(shù)器隨時鐘先遞增后遞減,波形隨之先遞增后遞減,輸出波形參數(shù)可以通過程序進行設(shè)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 D

26、OWNTO 0);END cyy_sj;ARCHITECTURE SYN OF cyy_sj 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_mo

27、de: STRING;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 COMPONENT;BEGINq <= sub_wire0(9 DOWNTO 0);altsyncram_component :

28、 altsyncramGENERIC MAP (clock_enable_input_a => "BYPASS",clock_enable_output_a => "BYPASS",init_file => "E:/wxm/wxm_sj.mif",intended_device_family => "Cyclone II",lpm_hint => "ENABLE_RUNTIME_MOD=NO",lpm_type => "altsyncram"

29、;,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;仿真結(jié)果：4.6方波產(chǎn)生模塊 該模塊

30、輸入信號由時鐘(clk)和復(fù)位信號(reset)構(gòu)成,當信號發(fā)生器選擇信號(sel2.0)為5時,該模塊輸出端(q 9.0)對外輸出。模塊振幅隨時鐘的變化持續(xù)變?yōu)楦唠娖?或低電平,輸出波形參數(shù)可以通過程序進行設(shè)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

31、 DOWNTO 0);END cyy_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;op

32、eration_mode: STRING;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 <= sub_wire0(9 DOWNTO 0);altsyncram_co

33、mponent : altsyncramGENERIC MAP (clock_enable_input_a => "BYPASS",clock_enable_output_a => "BYPASS",init_file => "E:/wxm/wxm_square.mif",intended_device_family => "Cyclone II",lpm_hint => "ENABLE_RUNTIME_MOD=NO",lpm_type => "al

34、tsyncram",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；仿真結(jié)果：4.

35、7鋸齒波產(chǎn)生模塊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_VECTOR (9 DOWNTO

36、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: NATURAL;wi

37、dth_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 <= sub_wire0(9 DOWNTO 0);altsyncram_component : altsyncramGENERIC MAP (clock_enable_input_a => "BYPASS",clock_enable_output_a =&

38、gt; "BYPASS",init_file => "E:/wxm/wxm_jc.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&q

39、uot;,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輸出波形選擇模塊VHDL程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY cyy_MUX ISPORT(Q1,Q2,Q3,Q4:IN STD_LOGIC_VECTOR(9

40、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 A1'EVENT AND A1='0' THEN IF A2='0' THENA2<='1'ELSE A2<='0'END IF;END IF;END PROCESS;PROCESS(A0)BEGINIF A0'EVENT AND A0='0' THEN IF