1、 毕业设计毕业设计(论文论文)开题报告开题报告 题目：题目：基于基于 FPGA和和 HDL 的正弦信号发生器设计的正弦信号发生器设计 院（系）院（系） 光电工程学院光电工程学院 专专 业业 测控技术与仪器测控技术与仪器 1 毕业设计综述 1.1 选题的背景及意义：随着电子设计技术的不断发展，电子设计自动化（EDA） 逐渐引起了人们的重视，尤其在数字电路的设计中，计算机技术和现场可编程逻 辑阵列 FPGA 技术的结合，使得数字系统的设计更加灵活方便。在当前的电子设 计过程中，掌握 FPGA 的开发是成为一个电子工程师必须具备的基本技能之一。 在数字系统的设计中， 利用 FPGA 设计正弦信号发生
2、器是常见的一种信号发生器 设计方法。 1.2 国内外相关研究情况:在现代电子测量技术的研究及应用领域中,常常需要高 精度且频率可调的信号源。 而随着大规模可编程逻辑器件 FPGA 的发展以及可编 程片上系统(SOPC)设计技术的日渐成熟,为这类信号发生器的设计与实现提供了 理论依据与技术支持。信号发生器是用来为各种电路提供测试信号的仪器，在工 程应用和测试领域有着非常广泛的应用。目前传统的信号发生器是使用模拟电路 或者专用芯片搭建而成，但是存在频率不商，稳定性较差，且不易扩展和调试的 缺陷；而采用 DDS 直接数字频率合成技术设计的信号发生器，改变了以往的设 计思路，在精度、灵活性上大大超越了
3、模拟信号发生器。随着可编程逻辑器件 FPGA 的迅速发展，基于 FPGA 控制的 DDS 信号发生器使得电路设计更加简单， 而且通过预留的端口可轻松进行二次开发。 2.课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施： 利用 FPGA 器件实现正弦信号发生器的功能。 研究的内容主要有正弦信号发生器 的设计方法，FPGA 的工作原理，HDL 语言的程序设计等等。 一DDS 正弦信号发生器的设计和实现：直接数字频率合成( Direct Digital FrequencySynthesis,即 DDFS,一般简称 DDS)是从相位概念出发直接合成所需要 波形的一种新的频率合成技术。利用 DDS
4、技术可以根据要求产生不同频率的正弦 波,而且可以控制其初始相位和信号幅度,同样也可以利用DDS技术产生任意的波 形。其原理如图 1 所示： 图 1 基于 FPGA 的 DDS 正弦信号发生器原理图 DDS 电路一般包括系统时钟、相位累加器、相位调制器、ROM 查找表、D /A 转换 器和低通滤波器( LPF)。输入的频率控制字( X)称为相位步进量,作为相位累加 器的增量; 输入的相位控制字通过相位调制器来设置正弦波的初始相位; 系统 时钟则对相位累加器、相位调制器和 D /A 转换器提供时序控制。相位累加器由 N 位全加器和 N 位累加寄存器级联而成,对频率控制字的 2 进制码进行累加运 算
5、,是典型的反馈电路。在每个系统时钟沿 Fclk 的控制下, N 位加法器将频率控 制字X与累加寄存器输出的相位数据相加,把相加后的结果再送至累加寄存器,累 加寄存器中新的相位数据既反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一Fclk时钟 周期中继续与频率控制字 X 相加,同时累加寄存器的高 M 位数值,将作为查找 ROM 表中取样数据的地址值。ROM 查找表中储存着一个完整周期的正弦波幅度信息, 通过取得的采样地址值进行查表, 从 ROM 表中输出相应的波形采样数据(Fout) , 送入 D /A 转换器, DAC 输出阶梯波形,再通过低通滤波器将波形数据转换成符合 要求的模拟波形。如图 2 所示
6、图 2 波形产生过程 其中步长的概念即为对数字波形查表的相位增量,由累加器对相位增量进行累 加,每个时钟周期产生的累加器的高M位数值作为查表地址,两个查表周期之间就 存在一个相位增量,当相位累加器加满时就会产生一次溢出,即相位寄存器每经 过 2N /X 个 Fclk 时钟周期后回到初始状态,相应的 ROM 查找表经过一个循环回到 初始位置,整个DDS系统输出一个正弦波,这样就完成了一个波形采样值的查表和 输出,这个周期就是 DDS 产生波形的一个频率周期。 二 FPGA 的工作原理:FPGA， 内部包括可配置逻辑模块 CLB、 输出输入模块 IOB 和内部连线三个部分。 FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要 对片内的 RAM 进行编程。 用户可以根据不同的配置模式， 采用不同的编程方式。 加电时， FPGA芯片将 EPROM中数据读入片内编程RAM中， 配置完成后， FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA
