基于vhdl的波形发生器的设计与仿真

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1、基于VHDL的波形发生器的设计与仿真第9页，共9页基于VHDL的波形发生器的设计与仿真王会萍(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011)指导教师：张杰摘要: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,能够满足现代电子系统设计的需求,因而得到了迅速的发展。而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。本文将利用DDS和FPGA技术，提出多种波形信号发生器设计解决方案。文章首先根据各种波形产生的基本原理，建立其数学模型，给出了多波

2、信号发生器的顶层原理图及系统结构图，然后利用ALTERA公司提供的Singacompler工具对其进行编译，产生QUARTUSII能够识别的VHDL源程序，最后对设计方案进行了波形仿真，仿真结果表明设计方案正确，达到了设计要求。利用DDS和FPGA进行多种波形信号发生器的设计，其具有设计简单，修改灵活，输出波形信号稳定等优点。关键词：波形发生器，DDS，现场可编程门阵列，单片机。1引言20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法。电子设计自动化（EDA）工具给电子设计带

3、来了巨大的变革，特别是可编程逻辑器件和硬件描述语言的出现和发展，解决了用传统的方法设计较大系统工程时的诸多不便，成为电子电路设计人员最得力的助手。随着计算机和EDA技术的发展，基于FPGA的电子设计则是目前发展较为迅速的一个领域，而且广泛应用于计算机、通信等各个领域。因此，本文主要利用VHDL，设计制作一个多功能波形发生器。本文共分5大部分，第1部分介绍波形发生器的研究现状、研究波形发生器的目的和意义以及研究的主要内容，并且就研究现状指出了其中存在的问题。接着第2部分则是介绍了DDS技术的基本原理，并分析DDS技

4、术的特点。直接频率合成（DDS）技术因有突出的特点，如输出波形灵活且相位连续（这是其最大优势）、频率稳定度高、输出频率分辨率高、频率转换速度快、输出相位噪声低、集成度高、功耗低、体积小等，使其在频率合成源技术中被广泛应用，但DDS合成频率比较低且输出频谱杂散较大，又限制了其应用。本段将介绍直接频率合成(DDS)的一些基础知识及常见问答。本文第3部分主要确定设计方案，硬件、软件等方面的确定，进而得出软件的流程图，并确定主要器件选型。波形发生器各个模块紧接着第4部分将会给出测试结果。下部分给出的是相应的仿真结果以及心

5、得体会。2绪论2.1波形发生器的发展现状采用传统的模拟振荡电路构成的波形发生器产生的信号频率精度低，不仅成本高，外围电路复杂，易受外界干扰，而且调试困难，不便于调控，实现的性能指标也不理想。对此采用具有良好性能的专用集成芯片就能达到本题的目的要求。但采用该方法所需的外围电路模块多且较为复杂，不利于控制和问题的检查。而纯单片机的方法虽便于控制但又难以达到题目的要求。基于VHDL的波形发生器的设计与仿真第9页，共9页现如今是信息时代，人们对使用计算机获取信息、处理信息的依赖性也越来越高。因此，利用FPGA采用DDS的

6、方式来设计的波形发生器前景十分可观。2.2研究波形发生器的目的和意义随着电子技术的飞速发展,VHDL作为标准化的硬件描述语言获得了广泛的应用。无论是采用传统的模拟振荡电路还是专用的集成芯片所作的波形发生器已不能满足需要。因此，对波形发生器的设计势在必行。本文主要利用VHDL语言，设计制作一个多功能波形发生器，能实现多种波形的输出及组合，并进行仿真。2.3本文研究的主要内容本文主要是研究利用FPGA采用直接数字式频率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis，简称DDS或DDFS）的方式

7、而做成的波形发生器。在FPGA中定义Rom空间用来存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求以频率控制字为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内部的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得到所需的波形。另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，而且理论上可以实现任意波形，能够比较全面的满足题目的要求(如图1所示)。[1]参考频率源相位累加器波形存储器数模转换器频率控制字图13DDS的基本原理与性能分析3.1DDS的基本原理DDS全称DirectDigitalSynthesizer（直

8、接数字合成），是一种产生模拟波形的方法。是从相位出发，直接采用数字技术产生波形的一种频率合成技术。通常是通过数字形式的时间转换信号再执行数模转换产生波形的。因为DDS设备上的运行是基于数字的，所以能够在输出频率、波形频率分解和运行于宽频率频谱之间相互转换。当我们要得到某一目标频率fd时,一般情况下是需要有一个基准频率源fo,一个分频系数为m的分频器，它们之间有如下关系:m