基于FPGA的DDS双通道波形发生器

论文摘要

直接数字频率合成（DDS）是七十年代初提出的一种新的频率合成技术,其数字结构满足了现代电子系统的许多要求,因而得到了迅速的发展。现场可编程门阵列器件（FPGA）的出现,改变了现代电子数字系统的设计方法,提供了一种全新的设计模式。本论文结合这两项技术,并利用单片机控制灵活的特点,开发了一种双通道波形发生器。在实现过程中,选用了Altera公司的EP1C6Q240C8芯片作为产生波形数据的主芯片,充分利用了该芯片的超大集成性和快速性。在控制芯片上选用ATMAL的AT89C51单片机作为控制芯片。本设计中,FPGA芯片的设计和与控制芯片的接口设计是一个难点,本文利用Altera的设计工具Quartus II并结合Verilog-HDL语言,采用硬件编程的方法很好地解决了这一问题。本文首先介绍了波形发生器的研究背景和DDS的理论。然后详尽地叙述了用EP1C6Q240C8完成DDS模块的设计过程,这是设计的基础。接着分析了整个设计中应处理的问题,根据设计原理就功能上进行了划分,将整个仪器功能划分为控制模块、外围硬件、FPGA器件三个部分来实现。然后就这三个部分分别详细地进行了阐述。并且通过系列实验,详细地分析了该波形发生器的功能、性能、实现和实验结果。最后,结合在设计中的一些心得体会,提出了本设计中的一些不足和改进意见。通过实验说明,本设计达到了预定的要求,并证明了采用软硬件结合,利用FPGA实现基于DDS架构的双路波形发生器是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外波形发生器的发展现状
• 1.2.1 波形发生器的发展状况
• 1.2.2 国内外波形发生器产品比较
• 1.2.3 研究波形发生器的目的及意义
• 1.3 本文研究主要内容
• 第2章 DDS 波形发生器理论介绍
• 2.1 频率合成技术
• 2.1.1 频率合成技术的发展及分类
• 2.1.2 频率合成技术的技术指标
• 2.2 DDS 的原理和结构
• 2.2.1 DDS 的原理
• 2.2.2 DDS 的基本结构
• 2.3 DDS 的输出特性
• 2.3.1 理想的DDS 输出频谱
• 2.3.2 实际DDS 输出噪声问题
• 2.4 任意波形的产生
• 2.5 本章小结
• 第3章 FPGA 芯片设计
• 3.1 FPGA 开发工具及语言介绍
• 3.1.1 FPGA 工具介绍
• 3.1.2 使用Quartus II 开发的基本步骤
• 3.1.3 硬件描述语言的选择
• 3.1.4 cyclone 器件概述
• 3.2 FPGA 结构和规划
• 3.2.1 整体结构设计
• 3.2.2 设计模块划分
• 3.3 各模块设计与仿真
• 3.3.1 时钟模块
• 3.3.2 8 位加法器
• 3.3.3 频率字输入模块
• 3.3.4 频率字处理模块
• 3.3.5 地址字累加模块
• 3.3.6 波形数据寻址模块
• 3.3.7 波形数据ROM
• 3.3.8 DDS 处理模块
• 3.4 芯片引脚功能定义
• 3.5 设计结果报告
• 3.6 本章小结
• 第4章 波形发生器硬件设计
• 4.1 硬件整体方案设计
• 4.2 输入与显示部分
• 4.2.1 液晶显示
• 4.2.2 键盘
• 4.3 微处理器控制部分
• 4.3.1 复位电路
• 4.3.2 频率控制字计算方法
• 4.3.3 FPGA 与单片机的连接及控制程序
• 4.4 FPGA 下载电路设计
• 4.5 D/A 器件及幅值调节部分
• 4.6 滤波器部分
• 4.6.1 滤波器的分类和选择
• 4.6.2 滤波器电路实现
• 4.7 本章小结
• 第5章 波形发生器软件设计
• 5.1 软件的总体结构
• 5.2 软件的分模块设计
• 5.3 本章小节
• 第6章 系统测试结果
• 6.1 输出波形
• 6.2 输出频率精度
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢