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南京理工大学电子线路课程设计实验报告摘要本次实验利用QuartusII7.0软件并采用DDS技术、FPGA芯片和D／A转换器，设计了一个直接数字频率信号合成器，具有频率控制、相位控制、测频、显示多种波形等功能。并利用QuartusII7.0软件对电路进行了详细的仿真，同时通过SMARTSOPC实验箱和示波器对电路的实验结果进行验证。报告分析了整个电路的工作原理，还分别说明了设计各子模块的方案和编辑、以及仿真的过程。并且介绍了如何将各子模块联系起来，合并为总电路。最后对实验过程中产生的问题提出自己的解决方法。并叙述了本次实验的实验感受与收获。关键词数字频率信号合成器频率控制相位控制测频示波器AbstractThisexperientintroducesusingQuartusII7.0software,DDStechnology，FPGAchipandD／Aconvertertodesignamulti—outputwaveformsignalgeneratorinwhichthefrequencyandphasearecontrollableandtestfrequency,displaywaveform.ItalsomaketheuseofsoftwareQuartusII7.0adetailedcircuitsimulation,andverifythecircuitexperimentalresultsthroughSMARTSOPCexperimentboxandtheoscilloscope.Thereportanalyzestheelectriccircuitprincipleofwork,andalsoillustratesthedesignofeachmoduleandediting,simulation,andtheprocessofusingthewaveformtotestingeachSubmodule.Meanwhile,itdescribeshowthemodulestogether,combinedforatotalcircuit.Finallytheexperimentalproblemsarisingintheprocessofpresenttheirsolutions.Anddescribestheexperienceandresultofthisexperiment.Keywordsmulti—outputwaveformsignal-generatorfrequencycontrollablephasecontrollabletestfrequencyoscilloscope目录一、实验目的与要求……………………………………………….4二、电路工作原理…………………………………………………4三、子模块设计原理……………………………………………….83.1分频电路……………………………………………………….83.2频率预置和调节电路………………………………………….113.3累加寄存电路………………………………………………....133.4相位控制电路………………………………………………....153.5波形存储电路………………………………………………….153.6测频电路……………………………………………………….183.7译码显示电路…………………………………………….........203.8波形选择电路………………………………………………….223.9节省ROM的设计……………………………………………233.10总电路………………………………………………………..253.11AM调制………………………………………………………25四、调试…………………………………………………………..29五、编程下载……………………………………………………..29六、波形结果……………………………………………………..29七、结论………………………………………………………….32八、实验小结…………………………………………………….32参考文献………………………………………………………….33一．实验目的与要求本实验使用DDS的方法设计一个任意频率的正弦信号发生器，要求具有频率控制、相位控制、测频、切换波形，动态显示以及使能开关等功能。利用QuartusII7.0完成设计、仿真等工作。并利用SmartSOPC实验箱实现电路，用示波器观察输出波形。基本要求如下：1、利用QuartusII软件和SmartSOPC实验箱实现DDS的设计。2、DDS中的波形存储器模块用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片中的RAM实现，RAM结构配置成4096×10类型。3、具体参数要求：频率控制字K取4位；基准频率fc=1MHZ，由实验板上的系统时钟分频得到。4、系统具有清零功能。5、利用实验箱上的D/A转换器件将ROM输出的数字信号转换为模拟信号，能够通过示波器观察到输出波形。6、通过开关（实验箱上的Ki）输入DDS的频率和相位控制字，并能用示波器观察加以验证。提高部分要求：1、通过按键（实验箱上的Si）输入DDS的频率和相位控制字，以扩大频率控制和相位控制的范围；(注意：按键后有消颤电路)2、能够同时输出正余弦两路正交信号；3、在数码管上显示生成的波形频率；4、充分考虑ROM结构及正弦函数的特点，进行合理的配置，提高计算精度；5、设计能输出多种波形（三角波、锯齿波、方波等）的多功能波形发生器；6、在DDS的基础上，完成AM调制；二．电路工作原理（1）DDS概念直接数字频率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesizer）是一种基于全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。（2）DDS的组成及工作原理频率预置与调节电路作用：实现频率控制量的输入；不变量K被称为相位增量，也叫频率控制字。累加器相位累加器的组成=N位加法器+N位寄存器；相位累加器的作用：在时钟的作用下，进行相位累加。应注意：当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作。DDS的输出频率为：f0=fCK/2N；DDS输出的最低频率：K=1时，fC/2NDDS输出的最高频率：Nyquist采样定理决定，即fC/2；K的最大值为2N-1结论：只要N足够大，DDS可以得到很细的频率间隔。要改变DDS的输出频率，只要改变频率控制字K即可。\波形存储器作用：进行波形的相位—幅值转换。原理：ROM的N位地址把0O—360O的正弦角度离散成具有2N个样值的序列ROM的D位数据位把2N个样值的幅值量化为D位二进制数据(有符号数)D/A转换器D/A转换器的作用：把已经合成的正弦波的数字量转换成模拟量。低通滤波器D/A转换器的作用：滤除生成的阶梯形正弦波中的高频成分，将其变成光滑的正弦波。时钟脉冲发生电路模块提供电路各模块工作所需要的时钟脉冲;本次设计的电路需要将振荡源提供的48MHZ的脉冲频率分为：1MHz,1KHz,1Hz,0.5Hz。显示电路：显示电路输出波形的频率以及频率和相位控制字。测频模块：测试电路输出的各种信号的频率。ROM模块预先存储了正弦波与余弦波以及三角波，锯齿波，方波等的二进制幅值且存储单元有212=4096，每个单元存储的幅值大小用10位二进制数来表示。频率和相位均可控制的具有正弦和余弦输出的DDS核心单元电路示意图如下图所示：每来一个CLOCK，加法器就将频率控制字fwrod与累加寄存器输出的累加相位数据相加，相加的结果又反馈送至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加以此，相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值进行找表查出，完成相位到幅值的转换。由于相位累加器为N位，相当于把正弦信号在相位上的精度定为N位，所以分辨率为1/2N。若系统时钟频率为fc，频率控制字fword为1，则输出频率为fOUT=fC/2N，这个频率相当于基频。若fword为K，则输出频率为：fout=K*fC/2N当系统输入时钟频率fC不变时，输出信号的频率由频率控制字K所决定。由上式可得：K=2N*fout/fC，其中，K为频率字，注意K要取整，会有误差。三、各子模块设计3.1分频电路本实验中使用的SmartSOPC实验系统给出的振荡频率源为48MHz，因此我们需要使用分频电路得到作为直接数字频率合成器电路所使用的各种频率脉冲。累加器电路中的寄存时钟信号、ROM的CLOCK使用1MHz脉冲频率，动态译码显示电路使用1KHz脉冲频率，频率、相位控制电路、模16电路使用1Hz脉冲频率，测频电路使0.5Hz。所以我们进行如下电路的设计：（1）2分频电路二分频电路由一个D触发器构成，原理图如下：二分频器仿真波形如下图：（2）48分频电路3分频电路由74160构成一个模3计数器，原理图如下：8分频电路由三个2分频电路串联而成，24分频电路由3分频器和8分频器串联而成，48分频电路由24分频器和2分频器串联而成，原理图如下：48分频电路仿真波形如下：（3）1000分频电路10分频电路由74163构成一个模10计数器，并实现占空比为50%，原理图如下：10分频电路仿真波形如下：1000分频电路由三个10分频器串联而成，原理图如下：（4）脉冲发生总图封装如下：封装图各引脚说明：Input：48MHZ：接时钟信号输入端（即48MHZ）output：1/2HZ：引出0.5HZ信号1HZ：引出1HZ信号1KHZ：引出1000HZ信号1MHZ：引出1MHZ信号3.2频率预置和调节电路频率预置与调节电路由1片模16的74161计数器组成，1Hz信号输入让其变化。该模块有清零和保持端，通过开关控制，以便计数到需要值时保持或清零。频率频率预置与调节电路实现频率控制量（步长）的输入。其中，K被称为相位增量，也叫频率控制字。DDS的输出频率表达式为fout=K*fc/2N，当K=1时，DDS输出最低频率为fc/2N，而DDS的最高输出频率由Nyquist采样定理决定，即fc/2，也就是说K的最大值为2N-1。电路图如下：仿真波形如下：封装如下：封装图各引脚说明：Input：baochi：接保持开关qingling：接清零开关1hz：接1hz脉冲output：k[3..0]：计数器的输出3.3累加寄存电路相位累加器结构图如下图所示：相位累加器由12位加法器与12位寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。寄存器将加法器的上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈至加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟作用下继续与频率控制字进行相加。这样，相位累加器在时钟作用下，进行相位累加。当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作。（1）12位加法器12位加法器由3片7483全加器级联而成，将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，原理图如下：封装如下：封装图各引脚说明：Input：a[11..0]：上一个累加结果输入k[3..0]：频率控制字输入output：s[11..0]：加法器的输出（2）12位寄存器寄存器电路由3片74175构成，以达到寄存、累加的目的。原理图如下：封装如下：封装图各引脚说明：Input：CLR：清零端IN1MHZ：1MHZ脉冲输入S[11..0]：寄存数据输入EN：使能端output：qk[11..0]：寄存器的输出3.4相位控制电路相位控制模块实际上是用一个12位加法器将之前累加器的输出结果的高四位与四位相位控制字相加，从而构成相位控制模块。由相位控制字控制相位的高4位，使相位较大幅度的变化，从而达到改变相位的目的。原理图如下：封装如下：封装图各引脚说明：Input：a[11..0]：接寄存器的输出p[