基于FPGA信号发生器 - 图文

本科毕业设计（论文）

题目 基于FPGA的函数信号发生器

的设计与实现

学 院 电气工程及其自动化（单招）

年 级 2011 专 业 电气自动化

班 级 1608112 学 号 160811216 学生姓名 朱浩杰

校内导师 罗韩君 职 称 讲师 校外导师 职 称

论文提交日期 2015-05-12

常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书

本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本人签名：

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常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明

本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。

保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。

本人签名： 导师签名：

日期： 日期：

基于FPGA的函数信号发生器的设计与实现

摘要

当今函数信号发生器的设计是一个非常热门的领域，在科研领域几乎随处可见，为了与时代发展接轨，FPGA技术与DDS技术都在不断的发展，信号发生器已经被设计得越来越完善越来越功能化，信号发生器的工作的领域也得到了一定的扩展，信号发生器不止在工作于科研领域，在通信以及其他领域都可以运用到它，与此同时随着科研技术的发展它的成本也降低了很多。

信号发生器的设计有着非常悠久的历史，所以本文先从它的背景现状与发展趋势开始介绍，接下来介绍了函数信号发生器的功能，紧接着介绍了在信号发生器领域运用最广的DDS原理。由此推出了本次毕业设计的方案，而且本文还逐一介绍了它的优点，随即介绍了FPGA现在的发展趋势，在最后本文介绍了设计的流程与实现的功能与我们所期待的进行了比对。

当然设计需要软件的同时也是需要硬件的，这次我们需要的芯片是由美国Altera公司生产的芯片（EP3C25Q240C8）。当然我们也可以借助Quartus软件进行仿真模拟，本次设计的要求是使用VHDL语言在Quartus软件里编译仿真并得出仿真最终结果。

关键词：数字信号发生器 可编程门阵列 直接数字合成

I

FPGA function Signal Generator Design and Implementation

Abstract

Today's function signal generator design is a very popular field, it almost covers all the field of scientific research , in order to align with the time development of FPGA and DDS technology , signal generator has been designed to be more and more perfect ,more and more function, signal generator has also been extended, signal generator more than in the work in the field of scientific research, in the communication and other fields can use it at the same time as the scientific research and technological development of its cost also reduces a lot.

The design of the signal generator has a very long history, so this paper first from the background of the status and development trend of began to introduce. Next it introduces the function signal generator's function, followed by introduction of the DDS principle of the most widely used in the field of signal generator. Thus launched the graduation design scheme. And this is one of the its advantages, then describes the development trend of FPGA now, in the last part, the paper introduces the design process and the realization of the function and we look forward to the alignment.

Of course, design needs the software as well as the hardware, and the chip we need is the chip (EP3C25Q240C8), produced by Altera.. Of course, we can use Quartus software for simulation, the design requirement is to use VHDL language in the Quartus software compiler simulation and simulation results.

Keywords：Digital Signal Generator; FPGA;Direct digital synthesis

II

目录

1 概述 ..................................................................................................................................... 1

1.1 函数信号发生器发展的背景以及意义 ....................................................................... 1 1.2 信号发生器发展趋势与应用 ....................................................................................... 1 1.3 本论文的主要内容 ....................................................................................................... 2 1.4 本章小结 ....................................................................................................................... 2

2 DDS的原理 ........................................................................................................................ 3

2.1 DDS的设计 .................................................................................................................... 3 2.2系统方案的比较与选择 ................................................................................................ 4 2.2.1设计的要求以及分析 ............................................................................................. 5 2.2.2设计方案的比较 ..................................................................................................... 6 2.3本章小结 ........................................................................................................................ 6

3 FPGA板块与结构的介绍 .............................................................................................. 7

3.1 FPGA核心板块的原理图和其PCB的设计 .................................................................. 7 3.1.1 时钟电路 ................................................................................................................ 7 3.1.2 电源产生电路 ........................................................................................................ 8 3.1.3 复位电路设计 ........................................................................................................ 9 3.1.4 配置电路模块 ........................................................................................................ 9 3.2 本章小结 ..................................................................................................................... 10

4 基于FPGA函数信号发生器的实现 ......................................................................... 11

4.1 FPGA及其开发环境的介绍 ........................................................................................ 11 4.2Quartus II软件工程的建立 ...................................................................................... 12 4.2.1打开Quartus软件，建立一个空白的工程 ....................................................... 12 4.2.2 新建顶层编辑模块 .............................................................................................. 13 4.2.3 建立VHDL语言的编程模块 ................................................................................ 15 4.3 DDS信号源的设计方案分析及优点 .......................................................................... 15 4.3.1 毕业设计要求分析 .............................................................................................. 15

III

4.3.2 系统的方案论证 .................................................................................................. 15 4.4系统的主要完成的功能 .............................................................................................. 16 4.5系统的主要芯片介绍 .................................................................................................. 17 4.5.1Cyclone III系列芯片简介 ................................................................................. 17 4.5.2 EP3C5M164C8简介 ............................................................................................... 17 4.6系统软件设计概述 ...................................................................................................... 17 4.7波形产生模块 .............................................................................................................. 19 4.7.1 正弦波模块 .......................................................................................................... 19 4.7.2 三角波模块 .......................................................................................................... 19 4.7.3 方波设计模块 ...................................................................................................... 20 4.8系统硬件连接和示波器波形显示 .............................................................................. 21 4.9误差的分析与解决 ...................................................................................................... 22 4.10本章小结 .................................................................................................................... 22

5 总结 ................................................................................................................................... 23 参考文献 .............................................................................................................................. 24 附录1 .................................................................................................................................... 24 致谢 ........................................................................................................................................ 25

IV

常熟理工毕业设计（论文）

1 概述

1.1 函数信号发生器发展的背景以及意义

函数发生器是各种测试和通信，计算机，雷达，控制，教学，制造，研究等领域的实验所不可或缺的工具并被广泛地使用，可以说现在科研领域都离不开它，他是不可或缺的一种工具，但是时代在发展，人们对信号发生器的功能已经有了更高的要求，普通传统的信号发生器已经无法满足现在科研的要求了，在科研领域发展的驱动下，当然科研工具也要随着发展，因此信号发生器的进一步开发很重要，然而采用专用的芯片或者模拟的电路的信号发生器，厂家在生产它的时候经费比较高，而且有些功能无法实现，比如控制波形频率和幅度，这困扰着一批又一批科研人员，与此同时人们开始用晶体管设计信号发生器，在研发之前，传统形式的信号发生器它们电路的结构复杂，它所占面积大的，价格也是非常的昂贵，又不方便携带在身边，FPGA技术和计算机技术在很大的程度上促进了电子应用领域的发展，人们越来越青睐数字信号的处理技术，传统的模拟信号处理的技术在发展中已经慢慢被遗弃了。但是信号发生器的研究是永无止境了，人们又把微机技术运用到了信号源设计中，于是新一代的信号发生器产生了—可以产生任意信号的信号发生器[12]。

1.2 信号发生器发展趋势与应用

现在信号发生器在研发领域几乎处处可见，与此同时它也是非常的昂贵的，但是随着FPGA和DDS这两门技术的不断发展，它们极大地促进数字技术的发展，他们慢慢也发展到了通信的领域，数字信号处理技术终于完全取代了传统的模拟技术。

时代在发展，普通的信号发生器不能满足人们的要求了，只能产生传统的正弦波已经不能满足科研人员的要求了，现在的仪器都在向着简单操作，电路简单易懂，功能完善，能产生稳定的波形，拥有更高的分辨率发展,从这些可以看出来，这些要求都为了适应社会的发展与技术的进步，所以对信号发生器的研究就变得越来越必要了。

信号发生器已经与我们的生活紧密相连了，人们的生活已经无法没有它了，下表1-1是信号发生器的分类：

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表1-1信号发生器的种类

分类方法 发生器种类 信号种类 产生波形 产生频率方法 专用信号发生器 任意信号发生器 合成信号发生器 通用信号发生器 卖场信号发生器 共振信号发生器 1.3 本论文的主要内容

这次毕业设计的题目是函数信号发生器的设计，从函数信号发生器的发展出发，引出了信号发生器的重要性，接下来提出设计方案：通过DDS的原理可以产生幅度频率都可以调节的三角波，正弦波，矩形波三种波形，最后对本次设计进行的自己的总结。

1.4 本章小结

本章从信号发生器发展的背景与意思出发，接下来介绍了它的研发现状，在最后阐述了本次设计需要实现的功能

2

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2 DDS的原理

2.1 DDS的设计

DDS技术是通过相位来设计的，这也是它的出发点，接下来直接合成设计所需要的波形，经济的不断发展促使在DDS技术方面的研究人员越来越多，因此研究得也越来越全面，以往一些没有的功能也被开发出来，有用这些功能的信号发生器它们有着拥有带宽大、频率稳定度高、分辨率高、频率切换的速度快等优点，在最近的几年，DDS技术在不断的发展中与普通的频率合成技术已经相差很多了，而且远远超过它们，甚至在某些及其关键的领域都开始运用到它们了，比如航空航天和自动化控制，这门技术已经变得越来越完善，越来越重要。 2.1.1 DDS原理

本文以正弦波为例子讲解DDS原理，传统的正弦波函数表达式2-1所示 u(t)?Asin(2?f0t??0) （2-1） 只要保持正弦波的幅值A和它的初始相位?0不改变，所得到的正弦波就是类似于f0的一条曲线，在设计中为了设计的简便，可以假设幅值为1，初相位为0，随即得到表达式2-2： u(t)?sin(2?f0t) （2-2） 为何得到离散型的正弦波序列，设计中可以利用采样频率fc对表达式（2-2）表达式进行采样分析，由此求出了正弦波离散序列，表达式2-3 u(n)?sin(2?f0nTc)n?(0,1,2,...) （2-3） 与此同时，得到的相对应的相位的离散序列为表达式2-4所示 ?(n)?2?f0nTc????n （2-4） 在表达式2-4中，Δθ是在采样过程中连续的两个采样点产生的增值，表达式如表达式2-5： ???2?f0Tc?2?f0 （2-5） fc3

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计算中运用到了采样定理，以上的表达式2-5必须满足下面的条件表达式（2-6） 2f0?fc （2-6） 根据采样定律，由表达式2-5与表达式2-2可得表达式2-7： f0???2?Tc （2-7） 由此可知通过相位增量Δθ的改变就可以达到信号频率的改变，把一个周期的正弦波分为M分，每份用?表示，每份??2?M，每次正弦波它的相位增加的数量是?的K倍时，与上面表达式2-7相结合，可以得到表达式2-8： f0?KfcM （2-7） 在表达式2-7中，K，M必须都是整数，而且必须满足2K

图2-8 DDS设计的原理图

DDS技术远远超于其他技术，具体有点如下： （1） 产生的频率的分辨率远远高于普通的技术。 （2） 只要是数字信号都可以通过它来调制。 （3） 系统工作时无噪音，有良好的工作环境。

2.2 系统方案的比较与选择

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TDI，TCK，TMS和TDO连接到JTAG标准的接口，设计的电路由这些构成。

图3-5 JTAG配置的电路

AS的设计电路如图3-6所示，芯片EPCS8在此电路设计中有着无法替代的作用，用一句话说这个芯片就是永远存在无论断电与否，不会丢失。。

图3-6 AS配置电路

3.2 本章小结

本章首先介绍了FPGA硬件开发平台，然后介绍了FPGA核心版原理图，然后逐一介绍了FPGA的组成部分电路，以及它们的作用。

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4 基于FPGA函数信号发生器的实现

4.1 FPGA及其开发环境的介绍

关于FPGA（现场可编程门阵列）：它是在GAL，PAL可编程器件等产品。 FPGA编程时不会被某些条件所束缚，编写比较灵活，运用到的地方也比较多，对于那些要实现复杂的逻辑功能和最小化系统都可以使用FPGA技术，所以通过FPGA和DDS技术来设计信号发生器是最简单与全面的。

Altera公司的FPGA芯片的产量居世界第一，最主要的三个公司有：Altera公司，Xilinx公司。Altera对可编程逻辑器件制造有着一个比较漫长的历史，世界上一个可编程逻辑器件就是出自此公司，公司不断的努力Altera公司不在提供一套单一的系列，它们开始向更高的领域发展，如今已研发了多个系列的芯片，比如，Cyclone 和Stratix系列。 随着FPGA技术的不断发展，公司也开始不断研究FPGA领域的芯片，并且不断开发，开发环境一直使人们非常烦恼，直到Altera公司推出了Quartus软件作为开发环境，FPGA得到了更广泛的发展，在此软件中可以绘制原理图，编辑程序（Verilog-HDL、AHDL、VHDL），同时保存下来进行编译仿真，通过时序与功能仿真可以得到所预想的结果，如图4-1是FPGA设计流程原理图。

原理图/Verilog-HDL文本编辑综合FPGA引脚配置时序与功能仿真FPGA器件与电路系统FPGA程序下载 图4-1 FPGA的开发设计流程

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在毕业设计中由于硬件条件的有限，所以只有借助于Quartus软件来实现功能。该软件功能强大，操作方便，主要用于系统的输入电路设计，集成电路，线路布局，时序分析和仿真，系统配置操作，关闭时间，调试和项目管理职能。Quarus II 9.1给出了一些常见的集成模块，如：加法，减法，乘法，股票，存储单元，柜台等模块。在这些模块中编写代码的过程的用户可以在任何时候调用，只要修改设置模块可实现期望的功能性，易用性。此软件的编写语言支持三种分别为Verilog-HDL、VHDL和AHDL，原理图在设计中也涉及得到，电路的设计可以在软件原理图层里绘制，电路的设计可以只通过原理图实现，也可以通过编程语言实现，复杂的电路可以通过简单的编程实现，综上所述，我们也可以通过编程语言和原理图相结合的方法，这样简单明了，让人一目了然，通过此软件可以把以往复杂的电路简单化，节约成本。

4．2 Quartus II软件工程的建立

4.2.1打开 Quartus软件，建立一个空白的工程。 (1) 鼠标双击Quartus II软件图标从而打开软件。

(2) 在软件菜单栏中找到File选项单击向后看选项，选择New Project Wizard选项，其他的选项都保持不变。当看到出现如图4-2的对话框时，开始填写工程所要存储的地方（建议存储在桌面文件夹这样好找），然后给工程进行命名，本次设计命名为 ：“top”。

图4-2工程的路径、名称的选择与设置

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（3）用鼠标单击：“next”选项接下来会出现如图4-3的对话框，本次设计使用到的是Cyclone III的芯片EP3C5M164C8芯片，其他的选项不改变，单击Next直到完成。

图4-3 选择芯片对话框

4.2.2 新建顶层编辑模块。

（1）单击Quartus图标以打开此软件，在软件的菜单栏里找到file，然后在file里找到Block Diagram-Schematic File选项，如图4-4所示，选择OK，一个顶层模块就生成了。

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图4-4新建模块文件夹对话框

（2）这个需要先保存的，单击File选项然后找到Save As（保存），把他重命名为“Block 1.bdf”（当然也可以用其他名字）。

（3）鼠标双击刚才建立的顶层模块，我们就可以从库中选择自己所需要的元器件，如图4-5所示

图4-5选择所需的器件

按照上面的介绍，基础的原理图模块都已经建立了，可以生成电路。

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致谢

时间转眼间就消逝了，这也意味着大学四年的生涯即将结束，虽然有些恋恋不舍但是现实就是如此残酷，在这四年中我学到了很多很多知识与技巧，大学不仅是学习知识的地方也是锻炼人的地方，能锻炼人们如何友好相处，如何适应这个社会。

当然通过本专业的学习，对自己的专业知识也有了质的提升，不仅停留于书本上有限的知识，学校安排我们去实践，常熟理工的人文环境也是相当好的，这也改变了我的性格，图书馆学习的氛围也十分融洽，让人不敢懈怠，现在我即将离开母校，我要对曾近在学习生活以及其他方面帮助过我的老师以及同学表达谢意

第一就是本次毕业设计的罗韩君老师，在拿到毕业设计题目前，我无从下手，老师为我慢慢解答其中的问题，为我分析其中的原理，我这才慢慢知道了设计的原理与方法。在论文格式中，老师不停的帮我发现问题，我也不停的改动以达到老师所要求的目标，老师知识的渊博以及专业的素养让我对老师产生了极大的佩服之情，老师的教导对我未来工作一定会产生积极的作用。在此感谢我的指导老师。

第二我也要感谢在毕业设计中一起的同学，虽然平时有说有笑，但是在所毕业设计的时候都变了，都变得格外的认真，不懂的地方相互研讨，知识在此相互交换，在这四年大学生干活里，我们有悲伤也有快乐，一起努力过也一起放松过，一起早出晚归的学习，一起实习，生活中的点点滴滴都会成为我最美好的回忆。

在此感谢这四年来各位老师各位同学对我一直以来的帮助。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ke1.html