DDS实验报告 南理工Word文档格式.docx
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二.设计要求及说明………………………3
三.工作原理和整体电路图………………3
四.各子模块的工作原理及电路图………5
1、分频电路·
·
5
2、频率与相位控制字产生·
7
3、频率和相位控制器模块·
8
4、DA转换模块·
12
5、测频模块·
13
6、显示模块·
14
五、调试仿真……………………………15
六、实验中遇到的问题及解决方法……16
七、实验感想……………………………17
八、致谢…………………………………17
九、参考文献……………………………17
摘要
本篇报告主要介绍了用EDA设计完成直接数字频率合成器DDS的过程。
该直接数字频率合成器输出的频率及相位均可控制,且能输出正弦、余弦、三角波、锯齿波、方波五种波形,经过转换之后还能在示波器上显示,在控制电路的作用下能实现保持、清零功能,另外还能同时显示输出频率、相位控制字、频率控制字。
本设计利用QuartusII7.0软件进行DDS的设计,最后下载到SmartSOPC实验系统中进行硬件测试。
Abstract
ThisreportintroducestheEDAdesigniscompletedwithDirectDigitalSynthesisDDSprocess.Thedirectdigitalfrequencysynthesisoftheoutputfrequencyandphasecancontrol,andcanoutputsine,cosine,trianglewave,sawtooth,squarewaveformfive,afterconversionafteralsodisplayedontheoscilloscope,intheroleofthecontrolcircuitcanbeImplementationmaintainedclearedfunction,andalsoshowstheoutputfrequency,phasecontrolcharacters,frequencycontrolword.ThisdesignusesDDSQuartusII7.0softwaredesign,thefinaldownloadSmartSOPCexperimentalsystemhardwaretesting.
关键词
EDA设计、直接数字频率合成器DDS、QuartusII7.0软件、SmartSOPC实验系统
Keywords
EDAdesign,DirectDigitalSynthesizerDDS,QuartusII7.0software,SmartSOPCexperimentsystem
二、设计要求及说明
1.基本要求
(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ROM实现,ROM结构配置成4096×
10类型;
(3)系统具有清零和使能的功能;
(4)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正弦波形;
(5)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;
2.提高部分:
测频电路
测频电路是对输出波形的频率进行测量并显示出来,以便观察输出波形的频率。
三、工作原理和整体电路图
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。
DDS的组成及基本原理:
本次设计的DDS主要由频率预置电路、相位累加器、波形存储器、D/A转换器、低通滤波器组成.可通过频率控制字kf和相位控制字kp控制输出频率与相位均可调的正弦波.相位累加器由N位加法器和N位寄存器组成.每来一个时钟信号CLOCK,加法器就将频率控制字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.相位累加器输出的数据就是合成信号的相位,溢出频率就是DDS输出的信号频率.相位累加器的结果再与相位控制字相加,结果作为波形存储器(ROM)的相位取样地址,这样就可以通过改变相位控制字实现调相.波形存储器中有生成好的波形抽样值,可完成相位到幅值的转换.
至于扩大频率控制字和相位控制字的范围,主要是将频率控制字和相位控制字的输入由计数器输出,只要控制计数器的使能开关就可以改变频率控制字和相位控制字,
测频电路,主要是利用累加器输出最高位的变化.最高位每从1变0,证明ROM里的数据被读了一遍.如果ROM里保存的是信号一个周期的抽样数据的话,那么正好代表一个周期结束了.
整体电路图:
(电路源文件存为zong.bdf)
各模块具体构成和功能详见下面介绍
四、各子模块的工作原理及电路图
1、分频电路
实现直接数字频率合成器(DDS)的设计,需要多种频率输入以实现各种功能,实验箱中芯片提供的频率只有48MHz,所以要设计分频电路获得所需频率。
此次设计的DDS需要的频率有:
频率字产生器需要1Hz,相位字产生器需要10Hz,相位累加器需要1MHz,动态显示电路需要1KHz,测频计数电路需要0.5Hz。
分频电路如下:
(电路图源程序名存为fenpin.bdf)
其中,48fenpin内部为:
1000fenpin内部为:
2fenpin内部为:
得到对于本实验有用频率。
2、频率与相位控制字产生
频率字,相位字的产生是DDS设计的基础部分,频率字则决定了输出波形的频率,相位字决定了输出波形的初相。
对于频率字和相位字的产生均通过设计计数电路来实现,分别设计一控制开关,当开关打开时,开始计数,当数字达到操作者所需的数字时,关闭开关,停止计数。
并且为了便于操作者控制频率字和相位字的大小,应将频率字和相位字显示在数码管上,所以在输出其二进制数值时,将其BCD码形式的数值一起输出以便实现显示。
(1)频率控制字
f为1时,频率控制字加1,pl[3..0]输入到累加器的低四位(频率控制字过大导致精度过低)。
输入脉冲为1hz,最大值为16(二进制),通过switch(二进制转化为十进制BCD码,用VHDL设计)转化为BCD码在通过7447显示在数码管上。
频率控制模块电路图如下:
(2)相位控制字
相位控制字和频率控制字原理基本相同,但是要加在高四位,低八位置0。
这样频率变化大,利于观察。
同样p为1时控制字增加,p为0时控制字不变。
设计电路图如下:
3、频率和相位控制器模块
本模块需要调用品路控制字和相位控制字模块,并且通过累加器和寄存器,得到相关波形。
再通过switch模块转化成BCD码输入译码器。
为了便于观察相位控制字引起的图像变化,故输出两组数据,一组是频率控制字控制的频率直接输入rom,另一组是频率控制字和相位控制字累加后输入rom,观察输出波形的差异。
具体电路图如下:
其中
rom1是sin.txt中的数据,通过C++编程得到,详细程序为:
#include<
iostream.h>
fstream.h>
math.h>
voidmain(intargc,char*argv[])
{
ofstreamoutfile("
sine.txt"
ios:
:
out);
inti;
doubles;
for(i=0;
i<
=4095;
i++)
{
s=sin(atan
(1)*8*i/4096);
outfile<
<
dec<
'
(int)((s+1)*1023/2)<
;
endl;
}
return;
}
模16:
mol16电路
加法器由7483构成电路图如下:
寄存器:
译码电路:
4、DA转换模块
由波形存储器输出的是量化的数字信号,还要经过D/A转换器和低通滤波器才能在示波器上显示出连续的波形.工作流程如下图所示:
经过此模块后可得到整个DDS模块。
5、测频模块
测频电路是对输出波形的频率进行测量并显示出来,以便观察输出波形的频率。
此次测频电路设计,为了减少测量误差,将波形先转化成方波,然后在1s内计数方波幅度为1的个数,测得的数据即为输出波的频率。
本实验我的通过测量频率信号最高位的变化来测频的。
通过一个计数器来记录频率计数器最高位的变化,利用非门的延迟效应,变化一次计数一次,即得到了DDS模块的频率。
虽然都是0.5Hz的时钟信号但寄存器时钟m2ms没有接三个非门,而计数器时钟s是接过3个非门的延时信号。
m输入要测频的信号,四片74160组成16位计数器,四个四位寄存器的输出频率值输入到显示电路。
6、显示模块
由于实验所用芯片的设置,要想将频率字,相位字以及测得频率显示出来,必须采用动态显示。
动态显示使用的是数据选择器的复用功能,将任意多位数码管的显示驱动,由一个七段显示译码器来完成。
显示电路主要显示频率控制字,相位控制字和测得频率。
用掉8为数码管,频率控制字占两位,相位控制字占两位,测得频率占四位。
此电路采取动态输出的模式,利用4个数据选择器依次输出,故需要一个控制数据选择器的3位控制位的模8计数器。
a.b.c三位作为数据选择器的控制位。
频率控制字、相位控制字和测得频率八位选择之后,经过7447译码输出七段码到数码管显示。
模8计数器的CLK端接1Khz,这样便使人眼感觉不到数码管的抖动。
五、调试仿真
给电路中个借口接上相应的管脚之后在示波器上观察相应的波形。
由于分频过大仿真不能完全显示,在此事先声明,在示波器上仿真完全无误。
下面列举几个电脑可以仿真到得:
(1)模48分频
(2)频率控制字验证
(3)相位控制字验证
(4)正常情况下波形
通过下载到实验箱上显示的频率来看,频率控制字测量非常准。
除了实现精度的功能由于时间原因没能在实验箱上下载实现,其它功能都得到了实现。
尤其是测频模块精度很高,结果如下:
频率控制字
理论频率
测得频率
示波器显示频率
3
732.4
733
732.43
11
2685.5
2685
2685.47
15
3662
3662.3
根据公式:
理论频率=频率控制字×
1M/4096。
得到测量值和理论值误差小于1%。
六、实验中遇到的问题及解决方法
1.其实这次试验还是出了不少问题的,不过大多是一些低级错误,管脚接错、非门用成与门之类的,技术方面存在这样一个大问题,就是刚开始做的时候波形失真严重,后来给通过给时钟信号添加非门使误差减小,波形得电路得以改进。
2.开始设计生成Rom程序时误将存储数据进制写成十进制导致,波峰处平坦,后经检查发现错误并改进。
七、实验感想
本次试验总体来说还是比较成功的,独立完成的同时进一步的对QuartusⅡ进行了了解。
巩固了知识,增强了我们独立思考的能力和动手能力,同时让我对数电更加有兴趣。
受益匪浅。
八、致谢
感谢蒋立平老师和花汉兵老师的悉心指导。
九、参考资料
《EDA技术与实验》付文红机械工业出版社
《数字逻辑电路与系统设计》蒋立平电子工业出版社
《QuartusII应用与开发技巧》王辉机械工业出版社
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