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基于FPGA的DDS函数信号发生器设计

[日期:2012-10-09]   来源:28毕业论文网  作者:28毕业论文网   阅读:597[字体: ]
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毕业论文(设计)开题报告

论文(设计)题目: 基于FPGA的DDS函数信号发生器设计  

重庆文理学院本科毕业论文(设计)开题报告

题  目

基于FPGA的DDS函数信号发生器设计

系(院)

专  业

电子电气工程学院

电子信息科学与技术专业

年  级

开题日期

学  号

姓  名

指导教师

1、选题目的和意义:

在电子技术设计领域,可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用,已得到广泛的普及,这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。直接数字合成器,是采用数字技术的一种新型频率合成技术,他通过控制频率、相位增量的步长,产生各种不同频率的信号。他具有一系列的优点;较高的频率分辨率;可以实现快速的频率切换;在频率改变时能够保持相位的连续;很容易实现频率、相位和幅度的数控调制等。目前可采用专用芯片或可编程逻辑芯片实现DDS,专用的DDS芯片产生的信号波形、功能和控制方式固定,常不能满足具体需要。可编程逻辑器件具有器件规模大、工作速度快及可编程的硬件特点,并且开发周期短,易于升级,因为非常适合用于实现DDS。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用,是值得认真组织力量进行开发的。因此研究EDA的发展和应用有着很重要的现实意义。本次通过实际产品的设计和制作,能够综合应用各种电子技术知识,掌握EDA系统的设计方法和制作过程的能力;提高自身的科学性、系统性、及全面性的设计素质;开拓自身的设计思路,增强理论知识与实践相结合的能力。充分运用MATLAB/Simulink中DSP Builder模块库在FPGA设计中的作用及优点使得用FPGA设计DSP系统完全可以通过Simulink的图形化界面进行,只要简单地进行DSP Builder工具箱的模块调用,再按设计要求在Quartus下综合设计即可。从而使得一个复杂的电子系统设计变得相当容易而且直观。这样实现的系统成本低、可修改性强、体积小,用在实验室有很好的实用性和非常高的性价比。

2、国内外研究现状综述:

FPGA研究现状

国际现场可编程逻辑器件的主流厂家有Altera、Xilinx和Actel,虽然他们有各自的新技术以及产品发展特点,但近年来以FPGA为代表的数字系统集成技术发展的一些新动向,归纳起来有以下几点:

1) 深亚微米技术的发展正在推动了片上系统(SOPC)的发展,使系统级设计方法系统化、能嵌入高级的多处理器和处理特长指令字(VLIW)、具有应用级映射和编译功能。

2) 随着深亚微米的半导体工艺和纳米技术的发展和便携式应用产品的发展,使现场可编程器件的低压、低功耗、低价格、高密度、高速度的方向挺进。

3) 为了更好的满足设计人员的需要,扩大市场,各大现场可编程逻辑器件的厂商都在不断的扩充其知识产权(IP)核心库。这些核心库都是预定义的、经过测试和验证的、优化的、可保证正确的功能。设计人员可以利用这些现成的IP库资源,高效准确的完成复杂片上的系统设计。

4) 随着数字逻辑系统功能复杂化的需求,单片系统的芯片正朝着超大规模、高密度的方向发展。有人设想,能不能利用芯片的这种分时复用特性,用较小规模的FPGA芯片来实现更大规模的数字时序系统。但是,要实现高速的动态重构,要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级,这就需要对FPGA的结构进行革新。

函数信号发生器研究现状综述

函数信号发生器是使用最广的通用信号源,提供频率和幅度可变的正弦波、锯齿波、方波等波形。现代科技的发展离不开信号的传输、调制等,而这些都离不开信号的产生部分,即使是使用专用确定频率和幅度的信号。产品实验和开发则需要信号发生器能产生频率和幅度可任意改变,函数信号发生器就可很好地满足需要。

随着现在工业和技术的不断提高,传统的分离元件式模拟信号发生器频率稳定性低、可靠性差,已经不能满足实际应用的需要,就必须有频率稳定度性、精确度更高的信号发生器解决这个问题。数字式函数信号发生器用直接数字频率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技术,使之具有以下优点:1 频率分辨率高,输出频点多,可达N个频点(N为相位累加器位数);②频率切换速度快,可达nS量级;③频率切换时相位连续;④ 可以输出宽带正交信号;⑤ 输出相位噪声低,对参考频率源的相位噪声有改善作用;⑥ 可以产生任意波形;⑦ 全数字化实现,便于集成,体积小,重量轻。其中DDS技术是由JOSEPH TIERNEY等3人于1971年提出,但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制,DDS技术没有受到足够重视,随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展,DDS技术日益显露出它的优越性。 

现在的各个厂家都采用了DDS芯片生产函数信号发生器,如杰韦弗生产的DDS函数信号发生器TFG2050G、南京新联生产的EE1412_DDS信号发生器、长沙恒和生产的TFG2000G系统函数信号发生器等,都利用DDS的高速度的稳定性,做成的函数信号发生器都具有能产生高达60MHz频率的信号,且频率和幅度可调性好,但是产生波形种类固定,且价格高昂,达5000RMB以上。

3、选题研究内容:

1) 信号发生器基本原理

传统分块式模拟函数信号发生器是用RC振荡等,通过物理方法改变接入振荡电路中的电容值或电压值来改变输出信号频率和幅度。但是因为模拟元件不可能完全是线性的,所以产生的信号的频率和幅度稳定性和可靠性低,且信号失真也较严重。

数字式函数信号发生器采用直接数字式频率合成技术(DDS),通过改变专用芯片内寄存器的值达到改变信号波形采样点输出的频率,通过数字乘法器将信号采样点的值与幅度控制字相乘,改变信号输出幅度,再用调整DA器件将输出的数字信号转换成模拟信号。这种控制方法产生的信号稳定性好,波形失真小,控制方法可很可靠。

DDS原理:DDS是从相位概念出发直接合成所需波形的频率合成技术。由相位累加器、加法器、波形数据查找表构成,再加上调整DA和低通滤波去掉高频干扰得到信号波形(如图1)。

图1  DDS原理框图

相位累加器有一个累加器和相位寄存器组成,它的作用是再基准时钟源的作用下进行线性累加,当产生溢出时便完成一个周期,即DDS的一个频率周期。其中频率字的位宽为K位,作为累加器的一个输入,累加器的另一个输入端位宽为N位(N>K),每来一个时钟,频率字与累加器的另一个输入相加的结果存入相位寄存器,再反馈给累加器,这相当于每来一个时钟,相位寄存器的输出就累加一次,累加的时间间隔为频率控制字的时间,输入加法器的位宽为N位,它与同样宽度的相位控制字P相加形成新的相位,进行位宽转换后作为查找表的地址,在查找表里取出波形值。每当累加器的值溢出一次,输入加法器的值就加一,相应的,作为查找表的地址就加一,而查找表的地址中保存波形的幅度值,这些离散的幅度值经DAC和PLF便可还原为模拟波形,只要改变查找表的的数据值,就可以实现任意波形的实现。

2) 在FPGA中实现:

FPGA即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。用FPGA设计数字电路有以下优点:①采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片;②FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片;③FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚;④FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一;⑤ FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。结合Matlab、Quatus和DSPBuilder的模型运算和仿真功能及硬件编辑功能,可以在MATLAB中调用DSPBuilder建立相应的DDS模型,再转换成VHDL语言,在Quatus下去生成的VHDL进行编译组合,并再加上自己的VHDL设计,综合成顶层文件下载到FPGA中实现DDS功能。

完成FPGA中DDS设计后,用高速DA器件将输出数据转换成模拟信号即可。

4、本选题研究技术路线、研究方法和要解决的关键问题

1) 直接数字频率合成(DDS)的工作原理。

2) 数字波形数据转换成模拟信号。

3) 在FPGA中现实DDS系统。

a. 基于Simulink的DDS模型的仿真

b. 将模型文件转化为VHDL语言文件

c. 验证VHDL代码

d. 在FPGA器件中实现DDS信号 

要解决的关键问题:

a. 在MATLAB/simulink中将模型文件转化为VHDL语言文件

b. 在Quartus II中如何测试,调整DDS信号

c. 在Quartus II中编写设计需要的程序、综合转换成的VHDL文件,使设计的系统达到设计要求。

5、调研计划及主要参考文献

调研计划

确定选题、收集相关资料:         20011年5月底-2011年5月22日      

文献调研与综述:                 2011年5月底-2011年9月15日       

撰写开题报告与开题:             2011年9月15日-2012年1月      

深入研究(调查研究、实验研究)   2012年12月15日-2012年4月底       

形成论文初稿(设计雏形):        2012年5月10日前    

论文(设计)修改、定稿、打印:   2012年5月15日前   

提交论文(设计)与答辩准备:     2012年5月20日前      

参加答辩:                       2012年5月20日-2012年5月底    

主要参考文献:

[1] 姚小朋,张捷.基于DDS的多波形信号发生器设计.研制与开发[J],2007年第2期

[2] 汤家华,王道德.基于FPGA设计的采用DDS技术的任意波形发生器.电子测量技术[J],2007.4

[3] 莫小灵.正弦信号发生器的FPGA实现.新余高专学报[J],2006.7

[4] 吴杰.DDS技术及其性能指标的改善.零八一总厂研究所 2006.4

[5] 王杰,马玲.基于DSP Builder的DDS设计及其FPGA实现.现代电子技术[J],2006年14期

[6] 陈怀琛.MATLAB在电子信息课程中的应用[M].北京:电子工业出版社,2003.

[7] FPGA概述 http://baike.baidu.com/view/51371.html?wtp=tt

[8] 黄智伟.FPGA系统设计与实践[M].北京:电子工业出版社,2005

[9] 金斗焕,王少军.采用MAX038制作的函数信号发生器.电子元器件应用[J],2001.2

[10] 李栋,李正卫.以FPGA为核心的数字移相式信号发生器.电子技术[J],2007.4

[11] 李逢玲,郑飞.基于EDA技术的调频信号发生器的设计.现代电子技术[J].2006.8

[12] 高琴,姜寿山,魏忠义.基于FPGA的DDS信号源设计与实现.西安工程科技学院学报[J],2006.4

[13] 余红娟,潘松.FPGA技术的应用与发展.杭州电子科技大学学报[J],2006.6

[14] 刘鹏.基于FPGA和DDS的扩频调相信号发生器的设计.学术论文[J],(2006)10--0046—02

[15] 张海陵,陈茄,谭海云.基于FPGA的模拟信号源系统设计.电子科技大学学报[J],2006.4

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[18] Direct Digital Synthesis (DDS) using FPGA.http://www.hunteng.co.uk/support/dds.htm

[19] 李晓明,曲秀杰.信号发生器中DDS/FPGA的应用.数控技术[J],2005.11

[20] 张冬梅,杨建宇.基于FPGA实现DDS技术的雷达波形产生器的设计.现代电子技术[J],2005.4

[21] 徐彬,张晓林.基于DDS和FPGA技术的遥测自检信号发生器的设计.遥测遥控[J],2004.5

[22] 付扬,姜丽.FPGA实现DDS控制电路的设计.石油学院学报[J],2003.12

[23] 王振红,王仲.基于VHDL的智能函数发生器设计.微电子技术[J],2003.2

[24] 范秋华.基于VHDL的可编程分频器在波形发生器中的应用.清华大学学报[J],2003.4

[25] 徐光辉,徐志军.CPLD/FPGA的开发与应用[M].电子工业出版社,2002

[26] 潘松,黄继业.EDA技术与VHDL(第2版)[M].清华大学出版社,2007

[27] 徐光辉,程东旭.基于FPGA的嵌入式开发与应用[M].电子工业出版社,2006

6、指导教师意见:

                                        指导教师(签名):

年     月    日

7、开题审查小组审查意见:

                                    教研室主任或组长签名:                 年    月   日

开题审查小组组成名单

组成

姓名

职称

所在单位

签字

组  长

说明:1、开题报告应在教师指导下由学生独立撰写,交指导教师审阅,并接受学校和系(院)检查。

      2、开题报告不需要在本手册上填写,应按照该格式另行装订成册。

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