EDA課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)-基于DDS的數(shù)字移相信號(hào)發(fā)生器

PAGEPAGE1基于DDS的數(shù)字移相信號(hào)發(fā)生器課程設(shè)計(jì)目的進(jìn)一步熟悉QuartusⅡ的軟件使用方法；熟悉利用VHDL設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)并學(xué)習(xí)LPMROM的使用方法；學(xué)習(xí)FPGA硬件資源的使用和控制方法；掌握DDS基本原理，學(xué)習(xí)利用此原理進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)完成8位輸出數(shù)據(jù)寬度的頻率可調(diào)的移相正弦信號(hào)發(fā)生器。完成8位輸出數(shù)據(jù)寬度的頻率可調(diào)的移相三角波、方波信號(hào)發(fā)生器。以上三種波形使用一個(gè)按鍵依次切換。波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)。信號(hào)發(fā)生器的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器里，由FPGA進(jìn)行讀取，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出，由示波器觀察最終結(jié)果。完成兩路相位相差90度的頻率幅度可調(diào)的移相信號(hào)發(fā)生器。結(jié)果通過(guò)嵌入式分析儀觀察兩路正交信號(hào)。（包括正弦波、方波、三角波）注意：以上前5點(diǎn)為基本要求，第6點(diǎn)為提高要求。基本原理直接數(shù)字頻率合成器（DDS）是通信系統(tǒng)中常用到的部件，利用DDS可以制成很有用的信號(hào)源。與模擬式的頻率鎖相環(huán)PLL相比，它有許多優(yōu)點(diǎn)，突出為（1）頻率的切換迅速；（2）頻率穩(wěn)定度高。一個(gè)直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器、波形ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。DDS的原理框圖如下所示：圖1直接數(shù)字頻率合成器原理圖其中K為頻率控制字，fc為時(shí)鐘頻率，N為相位累加器的字長(zhǎng)，D為ROM數(shù)據(jù)位及D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。相位累加器在時(shí)鐘fc的控制下以步長(zhǎng)K作為累加，輸出N位二進(jìn)制碼作為波形ROM的地址，對(duì)波形ROM進(jìn)行尋址，波形ROM輸出的幅碼S（n）經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成梯形波S（t）,再經(jīng)低通濾波器平滑后就可以得到合成的信號(hào)波形了。合成的信號(hào)波形形狀取決于波形ROM中存放的幅碼，因此用DDS可以產(chǎn)生任意波形。本設(shè)計(jì)中直接利用D/A轉(zhuǎn)換器得到輸出波形，省略了低通濾波器這一環(huán)節(jié)。頻率預(yù)置與調(diào)節(jié)電路不變量K被稱為相位增量，也叫頻率控制字。DDS方程為：f0=fcK/2n,f0為輸出頻率，fc為時(shí)鐘頻率。當(dāng)K=1時(shí)，DDS輸出最低頻率（也既頻率分辯率）為fc/2nDDS的最大輸出頻率由Nyguist采樣定理決定，即fc/2,也就是說(shuō)K的最大值為2n-1.因此，只要N足夠大，DDS可以得到很細(xì)的頻率間隔。要改變DDS的輸出頻率，只要改變頻率控制字K即可。累加器相位累加器的原理圖如下圖圖2相位累加器原理圖相位累加器由N為加法器與N位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖fc，加法器將頻率控制字與寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，再把相加后的結(jié)果送至寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的下數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端；以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘作用下繼續(xù)頻率控制字進(jìn)行相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行相位累加，當(dāng)相位累加器累加滿量時(shí)，就產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期應(yīng)為uk=2n/GCD（2N;k）,其中GCD表示最大公約數(shù)。3、波形存儲(chǔ)器用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的取樣地址進(jìn)行波形的相位——幅值轉(zhuǎn)換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形的抽樣幅值。N位的尋址ROM相當(dāng)于把003600的正弦信號(hào)離散成具有2n樣值的序列，若波形ROM有D位數(shù)據(jù)位，則2n個(gè)樣值的幅值以D位二進(jìn)制數(shù)值固化在ROM中，按照地址的不同可以輸出相宜相位的正弦信號(hào)的幅值。相位幅值變換原理圖如下所示。圖3相位-幅度變換原理圖4、D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的作用是把已經(jīng)合成的正弦波的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，正弦幅度量化序列S（n）經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成了包絡(luò)為正弦波的階梯波S（t）,S(t)的周期為T(mén)=uk*Tc.。需要注意的是，頻率合成器對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率有一定的要求，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高，合成的正弦波S（t）臺(tái)階數(shù)就越多，輸出波形的精度也就越高。四、整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)以上的原理介紹，按照設(shè)計(jì)任務(wù)要求，利用VHDL進(jìn)行DDS信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，通過(guò)QuartusⅡ進(jìn)行編輯、編譯、綜合、適配、仿真測(cè)試。自行設(shè)計(jì)鎖定管腳，重新綜合。3、利用EDA最小系統(tǒng)板或者EDA6000實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。五、設(shè)計(jì)報(bào)告要求1．說(shuō)明數(shù)字DDS的工作原理。2．畫(huà)出數(shù)字DDS的邏輯電路圖。3.記錄結(jié)果波形，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（理論值與實(shí)際測(cè)試值的誤差分析）。4．記錄所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器的指標(biāo)范圍（包括產(chǎn)生的信號(hào)的