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基于FPGA控制的正弦信号发生器研究与设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

在电子电路、雷达通信等领域的研究和应用中,信号发生器,可以输入一些需要的信号,也可以为系统提供时钟源,也称之为信号源或者振荡器。我们主要对信号发生器的频率分辨率、频率变换速度、输出杂散性等性能指标进行研究。至今国内外已研制出包括任意波形信号发生器、合成信号源等频率源。随着时代变迁,科学技术日新月异的发展,信号发生器也在更新换代去配合不断精细高级的电路,以前实现信号发生前的方法有着频带狭窄、分辨率低等问题,难以满足新时代的应用与需求。直接数字频率合成技术的使用可以改善这些问题。

频率合成技术在信息技术领域广泛应用。DDFS、PLLFS和DDFS是目前最常用的三种频率合成技术。直接数字频率合成器基于数字取样技术,由Phase accumulator、波形存储器ROM、DAC模块和低通滤波器构成,是基于数字电子技术进行设计的频率合成器。DDS有着输出频率精度高、频率能快速转换、频率切换时相位连续、存储波形可以选择灵活输出等优点。全数字化的构造能让集成水平进一步增加,极大改进了过往频率合成方案带来的设计繁杂、外形笨重、资金高昂等缺点。

FPGA技术全称为现场可编程门阵列。FPGA是硬件编程技术,解决了硬件逻辑可以任意编程而不需要改动硬件的问题。利用FPGA技术设计的产品从外观来说重量比较轻,成品体积小。此外,利用FPGA技术可以带来运行速度快、保密程度高、功耗低的优点,可以增加电子产品竞争力。FPGA技术能在很大程度上减少设计周期,降低设计花销,设计风险维持在比较低的水平,性价高。本次基于FPGA的正弦信号发生器设计采用Direct digital synthesis实现。波形在设计过程中,以数字化离散点呈现,再借助DAC和滤波器模块转换为所需的模拟信号进行显示。

本文阐述了信号发生器的起源与之后发展,对目前信号源的设计与实现进行分析。阐述了直接数字频率合成技术的工作原理,据此画出电路结构框图。借助Quartus II硬件仿真软件,按照设计框图和流程图对本系统进行设计。通过FPGA硬件语言verilog编写代码,画出原理图电路,借助这两种形式建立模块并设计顶层原理图文件进行仿真。最终实现直接数字频率合成技术,产生稳幅正弦波。学习理解AM、FM、ASK、PSK调制原理,通过仿真验证实现。此外利用protel和Keil uVision4 软件进行程序编写,设计人机交互部分,实现单片机与LCD液晶显示屏和键盘的电路连接与频率输入控制。

关键词现场可编程门阵列;直接数字频率合成;正弦信号发生器;Quartus II

Abstract

In the studies and application of electronic circuits, radar network and other fields, signal generator can input some needed signals and also provide clock source for the system, which is also called signal source or oscillator. We mainly study the performance indexes of signal generator, such as frequency accuracy, frequency conversion speed and output spuriousness. Up to now, frequency sources including arbitrary waveform signal generator and synthetic signal source have been developed at home and abroad. With the change of times and the rapid development of science and technology, the signal generator is also upgrading to match the fine and advanced circuits. The previous methods to achieve the signal before the occurrence have the problems of narrow frequency band and low resolution, which are difficult to meet the application and demand of the new era. This application based on DDS system can solve these problems.

Frequency synthesis technology is widely applied in many kinds of technologic fields. Direct analog frequency synthesis, phase locked loop frequency synthesis and direct digital frequency synthesis are the three most commonly used frequency synthesis techniques. DDFS is based on digital electronic technology, which is composed of phase accumulator, waveform memory, D/A and suitable filter. Direct digital frequency synthesizer has the advantages of high output frequency accuracy, fast frequency switching speed. When switching frequencies, phase change continuous. And it’s flexible while selecting the desired waveform signal. The fully digital structure can greatly improve the degree of integration, greatly improving the past frequency synthesis technology circuit complex, large size, high cost shortcomings.

FPGA is a hardware programming technology, which solves the problem that hardware logic can be programmed arbitrarily without changing the hardware. Products designed with FPGA technology are lighter in weight and smaller in size. In addition, the use of FPGA technology can bring the advantages of fast operation, high degree of confidentiality, low power consumption,,give products greet competitiveness, can reduce the design time, minimize the design loss and risk. The design of sinusoidal signal generator based on FPGA is realized by direct digital synthesis technology. In the design process, the waveform is digitized and discretized, and then converted into the required analog signal for display by means of DAC and filter modules.

This paper describes the origin and development of the signal generator, and analyzes the design and implementation of the current signal source. Learn and understand how the DDS signal generator works, according to the DDS working principle drawn the circuit structure block diagram. On the Quartus II development platform, the system was designed using a hierarchical design approach. Through the FPGA hardware programming language verilog and schematic input two forms, build the module and design the top schematic file for simulation. Finally, DDS technology is achieved, which produces a stable sine wave and realizes four types of modulated signals such as AM, FM, ASK, and PSK. In addition, we connect the circuits in protel software and write the related program by Keil uVision4 software. The human-computer interaction part is designed to realize the circuit connection and frequency input control of the single-chip computer and LCD liquid crystal display and keyboard.

Keywords: FPGA;DDS; Sinusoidal Signal Generator;Quartus II

目录

第1章 绪论 1

1.1研究目的与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容与安排 3

第二章 DDS结构与原理 4

2.1 DDS的原理 4

2.2 DDS的结构 4

2.3 本章小结 6

第三章 系统方案设计介绍 7

3.1 FPGA设计与参数设置 7

3.2 DAC及滤波模块设计 8

3.3 单片机设计 9

3.3.1单片机与FPGA通信设计 9

3.3.2 LCD液晶与键盘设计 9

3.3.3单片机软件设计及仿真 10

3.4 本章小结 12

第四章 基于FPGA的设计与实现 13

4.1 软件简介 13

4.1.1 Quartus II软件简介及开发流程 13

4.1.2 ModelSim 软件简介 13

4.2 DDS子模块设计 14

4.2.1相位累加器模块 14

4.2.2波形存储器ROM模块 15

4.2.3 DDS正弦信号原理图及仿真 18

4.3 幅度调制(AM)控制模块 21

4.4 频率调制(FM)控制模块 23

4.5 振幅键控(ASK)调制模块 25

4.6 相移键控(PSK)调制模块 27

4.7 DDS系统顶层设计 29

4.8本章小结 33

第五章 总结与展望 34

5.1 总结 34

5.2 展望 35

参考文献 36

致谢 37

第1章 绪论

1.1研究目的与意义

信号发生器能够输出所需频率,幅度可调,符合要求的合适波形信号。它也称作振荡器和信号源被大规模应用于生产实践和科技领域,参与各种电信系统的测量[1]。例如振幅特性、频率特性和传输特性等参数测量,能产生模拟波形,用作测试的信号源或激励源。平时学习时使用的电路板上面就有信号源。利用晶体振动原理产生周期信号,信号固定信号源——晶振。

信号发生器最早在上世纪二十年代出现,这一时期的信号发生器只能进行测试的定性分析。在四十年代左右,出现了在通信雷达等领域运用,进行接收机测试,定量分析的标准信号发生器[2]。因为电子技术落后,早期的信号发生器外型比较大,没有多样的功能,并且存在维护和升级成本较高的问题,因此在短时间内难以普及应用。

在六十年代之后,能够产生简单函数波形的信号发生器出现了,它利用模拟电子技术作为设计原理,有电路复杂,性能不稳定的问题。

DDS技术在上世纪七十年代初出现,因为其强大功能,世界各国都开始研究和制造研制DDS信号源。如今,各种信号发生设备都已经嵌入DDS技术,尤其在通信、探测、抗干扰等技术领域,DDS是核心技术。所以,无论是国内还是国外的科学技术研究院所以及硬件芯片生产公司都认为利用DDS原理设计的各类信号发生器是重点。

FPGA,是在一系列可编程器件的基础上发展而来,全称为Field Programmable Gate Array[3]。为了解决了定制电路无法修改,不够灵活的缺点。FPGA开发系统作为开发大规模半定制数字电路的主流技术而存在。EDA技术是基于大规模可编程逻辑器件进行发展的,应用前景广阔[4]。具体来说是使用硬件编程语言,借助硬件仿真开发平台,描述系统原理与内部设计之间的逻辑关系。通过更加方便的软件仿真方式,直观清晰的模拟要求设计的硬件功能,不断调试更正。FPGA已经成为现代电子设计技术的核心

得益于EDA技术,基于FPGA设计的专用电子系统和芯片周期较短,与同期其他技术的产品相比具有极强的竞争力。自1984年生产的第一片商用FPGA以来,科学家们不断测试与改进,基于EDA技术的FPGA设计自动化工具趋于成熟。现在的FPGA厂商推出的DDS专用芯片存在波形固定,使用不灵活的问题。基于FPGA实现的DDS设计电路可以做到,改变设计环节中波形存储器中的波形数据,便可产生所需波形,具有接口灵活、转换时间较短,带宽较宽和频率精度高等优点[5]。经过分析,采用FPGA来设计DDS系统设计周期短,使用方便,是最佳方案。

在通信、军事和自动化等领域,信号发生器具有重要意义,它在科研领域和生产实践中常被用作基准信号的产生,这需要信号发生器本身具有输出分辨率高,输出噪声少的特点。各领域对高性能信号发生器的需求随着现代技术的快速发展而日益提高。衡量高性能信号发生器的基本要求包括精度高、选择频率的变换速度快和输出波形幅值的范围宽。FPGA很符合电子信息领域的要求。

1.2国内外研究现状

随着科学信息日新月异的发展,人民对信号发生器的要求不断提高。人们需要输出波形纯净、输出频率具有稳定性、频率幅度范围变大,频率数量多的波形。为了满足科学实验的要求,改善信号发生器的性能,在各种通信领域中需要采用高准确性、高稳定性的晶体振荡器。但是晶体振荡器产生的频率信号过于单一,不能满足宽泛的频率输出范围。频率合成技术的产生可以解决这些问题。

频率合成技术的原理是采用单个或者一些输出波形稳定,输出频率分辨率高的频率作为参考频率源。借助加法器、乘法器等数学运算器件对参考频率源进行线性运算。从而生成拥有高稳定度和精度的多个离散频率点。频率合成器的来源悠久。频率合成技术在二十世纪三十年代左右亮相,它从诞生至现在历经八十余年,主要形成了直接模拟频率合成、锁相式频率合成技术和直接数字频率合成法[6]

第一代频率合成技术是DS,即直接模拟合成法。直接频率合成器对参考时钟源进行基本运算,从而输出人们需要的大量数字化频率,而后借助滤波器进行波形的处理,滤波后输出要求的频率信号。直接模拟频率合成法的实现比较简单,但调试难度大,而且在合成频率过程中容易产生大量谐波,噪声,频谱纯度低。目前仅有少数雷达信号的产生中还在使用直接频率合成法[7]

图1.1 直接相关频率合成

图1.2 直接非相关频率合成

第二代频率合成技术是PLLFS,产生于20世纪40年代初期,被称为间接式频率合成技术。它需要借助锁相环的压控振荡器输出需要的频率成分。具体采用的锁相式频率合成器组成如图1.3所示。采用PLLFS技术的优点有:能有效抑制杂散分量、能自由选择所需信号、避免使用大量的滤波器等模拟电子设备、输出频带范围大以及结构简单、易集成、易生产[8]。PLLFS一般在小步进频率合成场合使用,因为其在高分辨率情况下,它的转换速度和精度对彼此相互影响。

图1.3 锁相环频率合成

现代的科学研究要求信号源具有分辨率高,可以选择希望的频率输出。这就是第三代频率合成技术,由数字信号来控制,即DDS技术,又称直接数字频率合成。在美国科学家第一次提出后,受限于当时科学研究环境,直接频率合成技术的品质比起传统的实现方式来说,是不足的,人们并不愿意选择该技术。二十世纪八十年代末,学者开始研究DDS技术的杂散规律,之后提出了新的模型和各种改进措施,减少了DDS系统的杂散度[9]。数字信号技术日渐蓬勃,DDS的性能得到极大提高。目前DDS的技术在各种测试指标和使用性能上,远远优于传统的频率合成技术方案。

通过分析比较上述三种频率合成技术的工作原理和特点,参考本文研究与设计系统的需求,选择DDS技术产生正弦波形。

1.3研究内容与安排

本文基于FPGA对正弦发生器进行研究与设计,并实现正弦信号、AM、FM、ASK与PSK调制信号的选择输出,具体各章内容安排如下:

第一章为绪论部分,阐述了研究目的与意义,国内外研究现状分析,介绍了本次设计研究的信号发生器的发展情况,论述了FPGA的优势,选择第三代频率合成技术,对DDS系统的特点和优势进行学习。

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