基于FPGA的DDS信号发生器设计

湖南工学院毕业设计1第1章绪论1.1系统背景随着科技的不断发展，电子技术获得了飞速的发展，有力的推动了生产力的发展和社会信息化程度的提高，电子行业也经历着日新月异的变化。90年代后期，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA工具，极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的具体设计工作，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。现场可编程逻辑门阵列FPGA，与PAL、GAL器件相比，他的优点是可以实时地对外加或内置得RAM或EPROM编程，实施地改变迄今功能，实现现场可编程(基于EPROM型)或在线重配置（基于RAM型）。是科学试验、演技研制、小批量产品生产的最佳选择其间。自上世纪70年代单片机问世以来，它以其体积小、控制功能齐全、价格低廉等特点赢得了广泛的好评与应用。由单片机构成的应用系统有有体积小、功耗低控制功能强的特点，它用利于产品的小型化、多功能化和智能化，还有助与提高仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积与重量，便于携带与使用，降低成本，增强抗干扰能力，便于增加显示、报警和诊断功能。因而许多现代仪器仪表都用到了单片机。1.2选题目的及其意义信号发生器它最原始的功能是能够产生多种波形，比如说它可以产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等等。但随着科技的发展，它的功能也得到了增强，成为最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到多功能信号发生器。不论是在生产还是在科研与教学上，多功能信号源发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。它除此之外还有许多的用途，它已经被广泛地应用于工业、教学、医学，科学研究等领域。目前大部分信号发生器的设计是以微控制器为核心进行的，它与纯硬件设计的信号发生器相比，具有高精度、高可靠性、操作方便、价格便宜、智能化等特点，是智能化仪器的一个发展方向，具有一定的实用价值。湖南工学院毕业设计2那么，对于我们来说，信号发生器的设计是让我们掌握并巩固所学的知识，提高自己动手能力的一个重要的途径。通过对它的设计，我们的能力可以得到很大的提高，这样就很利于我们今后自身的发展。1.3系统概述本次毕业设计我所设计的是多功能信号发生器，它能够产生方波，三角波和正弦波三种基本波形。其电路采用FPGA器件相结合的方法，充分利用和FPGA器件的快速性、外设的替代性，采用数字技术，通过对三种波形输出进行控制，包括幅度控制和频率控制电压的控制，通过DAC0832转换输出、并将频率与幅度的大小送LCD显示等功能。同时对三种波形进行编辑。对键盘进行扫描判断，进入相应的功能程序。在各功能程序中，执行相应内容，将控制字送到DAC0832进行转换，从而对模拟波形的幅度进行控制，再经过放大输出。同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。湖南工学院毕业设计3第2章设计方案论证2.1总体方案论证与比较方案一:采用模拟锁相环实现模拟锁相环技术是一项比较成熟的技术。应用模拟锁相环，可将基准频率倍频，或分频得到所需的频率，且调节精度可以做到相当高、稳定性也比较好。但模拟锁相环模拟电路复杂，不易调节，成本较高，并且频率调节不便且调节范围小，输出波形的毛刺较多，得不到满意的效果。方案二：采用直接数字频率合成，用单片机作为核心控制部件，能达到较高的要求，实现各种波形输出，但受限于运算位数和运算速度，产生的波形往往达不到满意效果，并且频率可调范围小，很难得到较高频率，并且单片机的引脚少，存储容量少，这就导致了外围电路复杂。方案三：采用直接数字频率合成，用FPGA器件作为核心控制部件，精度高稳定性好，得到波形平滑，特别是由于FPGA的高速度，能实现较高频率的波形。控制上更方便，可得到较宽频率范围的波形输出，步进小，外围电路简单易实现。因此采用方案三。2.2DDS模块方案论证方案一：采用高性能DDS单片电路的解决方案随着微电子技术的飞速发展，目前高超性能优良的DDS产品不断推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司单片电路（monolithic）。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，变频时间为0.1μs；美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。方案二：采用低频正弦波DDS单片电路的解决方案[1]此方案的典型电路有MicroLinear公司的电源管理事业部推出低频正弦波DDS单片电路ML2035以其价格低廉、使用简单得到广泛应用。ML2035特性：（1）输出频率为直流到25kHz，在时钟输入为12.352MHz以外频率分辨率可达到湖南工学院毕业设计41.5Hz（-0.75～+0.75Hz），输出正弦波信号的峰-峰值为Vcc；（2）高度集成化，无需或仅需极少的外接元件支持，自带3～12MHz晶体振荡电路；（3）兼容的3线SPI串行输入口，带双缓冲，能方便地配合单片机使用；（4）增益误差和总谐波失真很低。ML2035生成的频率较低（0～25kHz），一般应用于一些需产生的频率为工频和音频的场合。如用2片ML2035产生多频互控信号，并与AMS3104（多频接收芯片）或ML2031/2032（音频检波器）配合，制作通信系统中的收发电路等。可编程正弦波发生器芯片ML2035设计巧妙，具有可编程、使用方便、价格低廉等优点，应用范围广泛。很适合需要低成本、高可靠性的低频正弦波信号的场合。方案三：自行设计的基于CPLD/FPGA芯片的解决方案DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、规模大、在线可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。目前PLD器件（包括CPLD、FPGA）的生产厂商主要有Altera，Xilinx图2.1DDS工作框图以及Lattoce等。Altera是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点，此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等，因此Altera的产品获得了广泛的应用。虽然有的专用DDS芯片的功能也比较多，但控制方式却是固定的，因此不一定是我们所需要的。而利用FPGA则可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。就合成信号质量而言，专用DDS芯片由于采用特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小，可以输出高质量的模拟信号；利用FPGA也能输出较高质量的信号，虽然达不到专用DDS芯片的水平，但信号精度误差在允许范围之内。基于以上优点我们采用了FPGA芯片来实现我们设计的DDS.湖南工学院毕业设计52.3数据存储方案论证方案一：将波形数据存储在EPROM27C512中，并直接通过单片机软件扫描的方式将波形沼气传输给DAC0832产生波形输出。这种方法是硬件电路简单，用通用的单片机最小系统板和一般的D/A转换器就可以完成。由于在此方案中单片机要完成波形扫描功能，还要负责整个系统的管理任务，并且受单片机工作速度的限制，不能很好的完成题目的要求。方案二：使用FPGA作为数据转换桥梁，将波形存储在其内部的RAM中，通过硬件扫描将波形数据传输给DAC0832产生波形输出。由于FPGA是一种高密可编程逻辑器件，可以满足题目的要求。综合各种因素，选择方案二。2.4键盘/显示方案论证本设计的频率字和相位字输入来实现，通过外部将数据输入到FPGA中，同时控制DAC0832的数据转换。键盘采用4×3矩阵式，共12个键分别对应0～9个数字键和一个启动键两个波形控制键。常用的显示方案有以下几种。方案一：使用液晶显示屏显示频率，幅度和相位以及波的形状。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁、可视面积大、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等特点。方案二：使用传统的数码管显示。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少，但是显示的字符较少，且不能显示汉字。根据以上的论述，采用方案一。2.5数模转换方案论证现阶段市场上用于数摸转换的芯片种类很多，常用的有8位，12位，16位等。他们各有其在不同的应用领域有着各自的优势。ADV7125是一种8位的高速，高精度的数模转换芯片其优主要性能如下：240MHz的最大样速度；三路8位D/A转换器SFDR；当时钟频率为50MHZ；输出为1MHZ时，–70dB；当时钟频率为140MHZ；输出为40HMZ时，-53dB；与RS-343A/RS-170接口输出兼容；DA转换器的输出电流范围为：2mA到26mA；TTL兼容输入；湖南工学院毕业设计6单电源+5V/+3.3V工作；低功耗（3V时最小值为30mW）。其优点就不然而喻。DAC0832也是一种8位的数模转换芯片，单电源供电，+5V到+15V正常工作。基准电压范围为10V；电流建立时间为1s；CMOS工艺，低功耗20mW[2]。综上来看ADV7215是中性能比较优越的DAC芯片，但其价格较DAC0832要高，我们的设计中所需求的DAC芯片新能要求，DAC0832已经可以达到，而且DAC0832是我们用的较多的的一种DAC芯片，对于它的用法比较熟悉。因此我们选则DAC0832来作为我们的数模转换芯片。DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数/模转换器，单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作。基准电压的范围为±10V；电流建立时间是1µS；COMS工艺，功耗20mW。图5.2是DAC0832的逻辑框图及引脚排列。器件的核心部分采用倒T型电阻网络的8位D/A转换器，如图2.2所示。它是由倒T型R－2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四部分组成。图2.2DAC0832芯片引脚图湖南工学院毕业设计7运放的输出电压为:)222(20022110DDDRRVVnnnnnfREF（2.1）由上式可见，输出电压VO与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。一个8位的D/A转换器，它有8个输入端，每个输入端是8位二进制数的一位，有一个模拟输出端，输入可有28＝256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。DAC0832的引脚功能说明如下：D0－D7：数字信号输入端ILE：输入寄存器允许，高电平有效CS：片选信号，低电平有效1WR：写信号1，低电平有效XFER：传送控制信号，低电平有效2WR：写信号2，低电平有效IOUT1，IOUT2：DAC电流输出端RfB：反馈电阻，是集成在片内的外接运放的反馈电阻VREF：基准电压（－10～+10）VVCC：电源电压（＋5～＋15）VAGND：模拟地NGND：数字地2.6滤波方案论证方案一：采用二阶巴特沃兹低通滤波器。巴特沃兹滤波器的幅度函数是单调下降的，由于n阶低通巴特沃斯滤波器的前（2n-1）阶导数在ω=0处为零，所以巴特沃斯滤波器也称为最大平坦幅度滤波器，该方案滤波性能较好，但构造和参数设置比较复杂。方案二：采用RC低通滤波器。能很好的滤除高频信号，由于不须运算发大器，参数计算容易，对系统要求不高。基于上述理论分析，拟订方案一。2.7总体设计方框图本系统分为五大部分：FPGA主控电路，液晶显示，键盘控制，数模转换，低通滤波电路。框图如图2.3所示：湖南工学院毕业设计8图2.3系统总设计流程图湖南工学院毕业设计9第3章工作原理本设计以FPGA为核心，由外部来实现频率