基于FPGA的DDS信号发生器设计

1第一章绪论.....................................................................................................31.1FPGA简介·········································································31.2FPGA的发展现状································································31.3函数信号发生器的发展现状···················································41.4选题目的及其意义·······························································5第二章方案设计.............................................................................................62.1方案选择··········································································62.1.1数字频率直接合成原理（DDS）.........................................................62.2设计框图··········································································82.2.1DDS内核结构.........................................................................................8第三章各部分模块详解.................................................................................93.1显示模块···········································································93.2数模转换电路····································································93.3电流转电压电路·································································113.4二阶有源低通滤波器·························································123.5按键电路········································································13第四章FPGA最小系统设计........................................................................154.1电源电路·········································································154.2晶振电路·········································································164.3复位电路·········································································164.4EPCS4SI8配置芯片电路·····················································174.5下载接口电路··································································172第五章软件设计...........................................................................................185.1波形采样·········································································185.1.1正弦波的数据采样...............................................................................185.1.2三角波的数据采样...............................................................................195.1.3方波的数据采样...................................................................................215.1.4锯齿波的数据采样...............................................................................225.2DDS内核软件设计····························································235.3LCD1602控制模块设计······················································265.4按键模块软件设计····························································28第六章系统硬件调试...................................................................................29结论.................................................................................................................30参考文献.........................................................................................................313第一章绪论1.1FPGA简介FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray）的简称，与之相应的CPLD是复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/PGFA。CPLD/PGFA几乎能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路。它如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入或硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真可以事先验证设计的正确性，在PCB完成以后，利用CPLD/FPGA的在线修改功能，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用CPLA/FPGA开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。这些优点使得CPLA/FPGA技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言HDL的进步[6]。1.2FPGA的发展现状随着科技的不断发展，电子技术获得了飞速的发展，有力的推动了生产力的发展和社会信息化程度的提高，电子行业也经历着日新月异的变化。90年代后期，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA工具，极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的具体设计工作，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。现场可编程逻辑门阵列FPGA，与PAL、GAL器件相比，他的优点是可以实时地对外加或内置得RAM或EPROM编程，实施地改变迄今功能，实现现场可编程(基于EPROM型)或在线重配置（基于RAM型）。是科学试验、演技研制、小批量产品生产的最佳选择其间。先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA的生产，越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中，基于FPGA的开发成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不断提高，FPGA的集成度将不断提高，制造成本将不断降低，其作为替代ASIC来实现电子系统的前景将日趋光明。随着EDA技术在全球范围内的飞速发展，业界都在翘首以待基于Linux环境的EDA技术成为电路设计领域的主流。首先，由于Linux费用很低，源代码开放，这使4得EDA软件的前期开发费用很低，而且运行维护的成本也很低，同时大大方便了工程师的设计工作。而Linux工作站的费用也要比Unix工作站便宜很多。此外，Linux的成本大约是Unix以及Windows的1/15~1/10，但是效能并不比后者差，甚至运行速度要更快一些。现在业界普遍的看法就是预计在未来的5年内，Linux将成为EDA的主角。可以预见，Linux的普及只是时间问题[11]。另一方面，随着现场可编程逻辑器件越来越高的集成度，加上对不断出现的I/O标准、嵌入功能、高级时钟管理的支持，使得设计人员开始利用现场可编程逻辑器件来进行系统级的片上设计。Altera公司目前正积极倡导SOPC（SystemOnaProgrmmableChip，系统可编程芯片）。“片上可编程系统”（SOPC）得到迅速发展，主要有以下几个原因：1）密度在100万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市；2）第4代现场可编程逻辑器件的开发工具已经成形，可对数量更多的门电路进行更快速的分析和编译，并可使多名设计人员以项目组的方式同步工作；3）知识产权（IP）得到重视，越来越多的设计人员以“设计重用”的方式对现有软件代码加以充分利用，从而提高他们的设计效率并缩短上市时间。Altera公司为了实现SOPC的设计，不仅研制开发出新器件，而且还研制出新的开发工具对这些新器件提供支持，并且与新芯片及软件相配合的是带知识产权的系统级设计模块解决方案，它们的参数可由用户自己定义。芯片、软件及知识产权功能集构成了Altera完整的可编程解决SOPC方案——Excalibur解决方案。1.3函数信号发生器的发展现状在70年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。90年代末，出现几种真正高性能、高价格的波形发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8种波形，而且价格昂贵。到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz的DDS芯片，同时也推动了波形发生器的发展。51.4选题目的及其意义信号发生