基于FPGA的波形发生

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基于FPGA的波形发生器的设计,指导老师：张海涛副教授,答辩人：王磊,设计内容,（1）设计DDS所需的24位相位累加器模块，8*210位波形存储ROM模块，DA转换模块和LPF模块；,（2）通过按键输入波形选择和频率字，通过数码管显示频率值；,（3）使用VHDL语言编写DDS中相位累加器代码、波形选择器代码、波形存储ROM代码，完成DDS设计，并进行软件仿真。,VHDL语言简介,VHDL 的英文全称是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言,。,主要特点,功能强大，易于修改，与新片工艺和厂家无关，模块设计，可移植性强,设计方式,既可以自顶层向下，又可以自下向上,Quartus II简介,Quartus II 是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。,Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统,。,波形频率合成的方法,直接式频率合成器,利用单个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准信号源，经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号。,间接式频率合成器（锁相频率合成器）,基于锁相环的同步原理，由锁相环的压控振荡器间接产生所需的频率输出的一种技术。,直接数字频率合成器（DDS）,它是目前最为典型、应用最广泛的一种频率合成技术。,通常将此视为第三代频率合成技术.,它突破了前两种频率合成法的原理,从”相位”的概念出发进行频率合成.,这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位.,还可以用DDS方法产生任意波形(AWG）,DDS原理,DDS原理图,该系统由相位累加器，波形存储器 ( R O M) ，D / A转换器和低通滤波器等组成口。参考时钟由1个定的晶体振荡器提供，在参考时钟的控制下，频率控制字K送人相位累加器，由相位累加器产生相位据，以此数据作为查找表地址来寻址 R O M表，从而进行相位一幅度变换，输出不同的幅度编码。相位累加器由N位加法器与N位相位寄存器级联构成，类似于1个简单的加法器。每来1个时钟脉冲，法器就将频率控制字与相位寄存器输出的累加相位数据相加，然后把相加后的结果送至相位累加器数据输人端，相位寄存器就将加法器在上一时钟作用后产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以加法器在下一个时钟的作用下继续将相位数据与频率控制字相加。同时将累加结果的高M位相位控制字相加，结果作为波形数据寻址的地址信号。如此，相位累加器在参考时钟的作下进行线性相位累加，当相位累加器累加满量，就会产生1次溢出，完成1个周期性的动作，这个周期就是合成信号的1个周期，累加器的溢出频率也就是直接数字频率合成信号的频率。,设相位累加器的位宽为N, ROM表的,地址,为,P位,累加器的高P位用于寻址ROM表.若以M点为步长,产生的信号频率为,M称为频率控制字,通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率为,这个增量也就是最低的合成频率。由取样定理，所产生的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的33%,以避免造成波形失真度较高。,2.,相位累加器的生成与仿真,在Quartus II下按照相位累加器原理用VHDL语言可生成如下图所示的相位累加器：,仿真结果如下所示：,相位累加器的设计,1.相位累加器原理图,相位累加器的组成=,N位加法器+N位寄存器,相位累加器的作用：,在时钟的作用下，进行相位累加。当相位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,。,加法器,寄存器,频率控制字K,N,位,N位,N位,相位量化序列,f,c,相位控制模块设计,波形存储器的设计,1.波形存储器原理,作用：,进行波形的相位幅值转换。,原理：,ROM的N位地址,把0,O,360,O,的正弦角度离散成具有2,N,个样值的序列,ROM的D位数据位,则2,N,个样值的幅值量化为D位二进制数据,波,形,R,O,M,地,址,数,据,相,位,量,化,序,列,正,弦,幅,度,量,化,序,列,N,位,D,位,2.波形数据的生成,Matlab是一个强大的工程数学软件，可以方便快捷地完成各种波形的绘制、采样和分析，这里我们采用其生成正弦波、方波和三角波三种波形采样数据。按照要求，在一个周期采样1024个数据点，并且为了数模转换的方便，将幅值设定在0-255之间。然后在Quartus II下建立mif文件，将生成的波形数据复制进去。,3.波形ROM的生成,Altera公司的Quartus II等开发环境中的MegaWizard PlugIn Manager，利用FPGA内部嵌入式可编程RAM模块，可以定制LPM_ROM宏功能块，作为ROM查找表。ROM表的生成过程：在Quartus II的工具栏中选择MegaWizard PlugIn Manager，,任意波RAM模块定制,4路波形选择开关的设计,按键输入模块的设计,相位控制字输入模块设计,频率控制字输入,按键消抖,幅值控制与数模转换,幅值控制,数模转换,核心模块顶层文件,低通滤波器设计,仿真结果,正弦波仿真结果,三角波仿真结果,方波的仿真结果,The End,Thank you for attention,