基于FPGA的DDS信号发生器

本文介绍了一种基于FPGA的DDS基本信号发生器的设计方法， 应用VHDL语言编程及QuartusII软件进行编译和波形仿真，用VHDL语言对DDS进行供能描述，方便在不同的实现方式下移植和修改参数，QuartusII软件提供了方便的编译和综合平台，大大缩短了DDS的设计和开发周期。DDS模型由相位累加器、波形存储器ROM查找表(LUT)、D/A 转换器(DAC)以及低通滤波器(LPF)构成。本设计基于DDS 原理和FPGA 技术按照顺序存储方式，把正弦波、三角波、方波、锯齿波四种波形的取样数据依次全部存储在ROM 波形表里，通过外接设备拨扭开关选择波形输出，控制波形的频率，最终将波形信息显示在LCD 液晶显示屏上。与传统的信号发生器相比，DDS信号发生器频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、可编程、全数字化易于集成等优点，因而在雷达及通信等领域具有广泛的应用前景。 基于FPGA的DDS信号发生器设计是电子工程领域的一项应用，其中FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可以通过编程实现灵活逻辑功能的半导体设备，而DDS（Direct Digital Synthesis，直接数字合成）是一种利用数字技术合成所需波形频率信号的技术。本设计利用了VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，超高速集成电路硬件描述语言）进行编程，利用QuartusII软件进行编译和波形仿真，以实现波形的生成和输出。 在FPGA技术中，VHDL语言扮演着至关重要的角色。它是一种硬件描述语言，用于描述数字系统的逻辑结构和行为，而QuartusII是一款专业的EDA（电子设计自动化）软件，主要用于FPGA的设计、编译、综合和仿真。 DDS信号发生器由几个关键部分组成，其中包括相位累加器、波形存储器ROM查找表（LUT）、D/A转换器（DAC）以及低通滤波器（LPF）。相位累加器负责计算波形样本的相位值，波形存储器ROM存储波形样本数据，D/A转换器负责将数字信号转换为模拟信号，低通滤波器则用于滤除高频噪声，得到平滑的模拟波形输出。 在本设计中，正弦波、三角波、方波、锯齿波四种波形的取样数据被存储在ROM波形表中，用户可以通过外接设备如拨扭开关来选择波形并控制其频率。波形信息最终通过LCD液晶显示屏显示。使用FPGA技术的DDS信号发生器相较于传统信号发生器，具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位切换连续、可编程性强、全数字化易于集成等优势。 此外，SOPC（System On Programmable Chip，可编程片上系统）技术在本设计中也被应用于FPGA芯片中，通过集成处理器、存储器、IO口等系统设计所需的功能模块，构建可编程片上系统，提供了灵活的设计方式。这种系统级设计能力提高了整个DDS电路的灵活性、可行性以及精确性。 针对本设计，需要重点研究的关键问题包括如何高效准确地存储波形数据、如何通过编程控制波形的生成、以及如何优化波形输出的性能。通过使用嵌入式软核处理器NiosII，设计者可以编程控制硬件模块之间的协调工作，实现波形信号的准确输出。 在设计过程中，学生需要熟练掌握QuartusII软件的使用，理解DDS的原理，并通过软件实现设计的仿真验证。开题报告中提到的几个关键步骤是设计工作的基础，例如在项目初期要熟悉VHDL语言和QuartusII开发环境，在设计中期要着手设计ROM及累加器模块和LCD显示模块，并进行综合仿真，最终撰写论文并准备答辩。 设计过程中使用的参考资料包括《VHDL编程实例》以及《基于VHDL语言与QuartusII软件的可编程逻辑器件的应用与开发》，这些资料对于理解VHDL语言及QuartusII软件的使用提供了理论支持。同时，对于硬件部分，如FPGA芯片，本设计选用的是Altera公司的EP2C35F672C8芯片，结合SOPC技术，展示了如何在FPGA上实现一个功能全面的DDS信号发生器。 总结而言，本设计展示了FPGA和DDS技术相结合的强大能力，它为雷达、通信等领域提供了具有高频率分辨率、快速频率切换能力的波形信号源，同时由于其数字化和可编程的特性，这种信号发生器具有广阔的应用前景和研究价值。