基于FPGA和MAX295的正弦信号发生器
基于fpga的dds正弦信号发生器的设计和实现
基于FPGA的DDS正弦信号发生器的设计和实现引言在电子领域中，正弦信号是一种重要的基础信号，被广泛应用于通信、音频、视频等各个领域。
而DDS（Direct Digital Synthesis）直接数字合成技术则是一种通过数字方式生成高精度、高稳定性的正弦波信号的方法。
本文将详细介绍基于FPGA的DDS正弦信号发生器的设计和实现。
设计目标本次设计旨在实现一个可配置频率范围广泛且精度高的DDS正弦信号发生器。
具体设计目标如下： 1. 实现频率范围可调节，覆盖从几Hz到数十MHz； 2. 提供高精度的频率控制，满足特定应用场景对频率稳定性和相位精度的要求； 3. 支持模数转换器（DAC）输出，并能够通过外部接口控制输出幅值； 4. 使用FPGA作为主要硬件平台，以满足高速计算和灵活配置需求。
系统架构基于FPGA的DDS正弦信号发生器主要由以下几个部分组成： 1. 数字控制模块（Digital Control Module）：负责接收外部输入的频率、相位和幅值等参数，并将其转换为对DDS核心模块的控制信号； 2. DDS核心模块（DDS Core Module）：根据接收到的控制信号，通过数学运算生成正弦波形的离散采样值； 3. 数字模拟转换模块（Digital-to-Analog Converter, DAC）：将DDS核心模块输出的数字采样值转换为模拟电压信号； 4. 输出放大器（Amplifier）：用于放大DAC输出的电压信号，并通过外部接口提供可调节幅值的正弦波输出。
DDS核心模块设计DDS核心模块是整个系统中最关键的部分，它负责根据输入参数生成正弦波的离散采样值。
下面是DDS核心模块设计中需要考虑的几个关键要素：相位累加器相位累加器是DDS核心模块中最基础且重要的组件之一。
它根据输入的频率和时钟信号，在每个时钟周期内累加相位增量，从而实现相位连续变化。
相位累加器可以使用一个定点数或浮点数寄存器来表示，并通过固定步长进行相位递增。
基于FPGA的正弦波PWM信号发生器的设计
图 3 输出恒定频率的 PWM 波原理 Fig． 3 Principle of PWM wave output with constant
frequency
基于上述插空法，在产生高低不同的信号时，输出 的 PWM 波频率恒定，大大降低了后级滤波电路的复杂
度。若信号比较弱，可以在滤波电路后加一级放大 电路。
Design of Sine-Wave PWM Signal Generator Based on FPGA
YAO Hong-qiang， CHEN Rong-rong
( School of Internet of Things of Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
288
江 南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
第 11 卷
律变化的脉冲波。这些脉冲波经过低通滤波后即 对应正弦信号的一个周期波形。
ROM_data 中的数据是在 FPGA 芯片内部调用 ROM 的 IP 核。将一个周期的正弦函数进行 M 点的 离散，可根据实际情况选取 M 的大小，然后计算出 离散后的正弦数据所对应的占空比的值，并将计算 后所得的数据按顺序存储到 FPGA 的 ROM 中。对 于一定频率的时钟信号，如果 M 值较大，则输出信 号的 频 率 较 低，反 之 输 出 信 号 频 率 较 高，同 时 精 度 也会降低。设计中，可根据需要选取 5 个ROM_Data 数据块 之 一。实 验 中，对 于 一 定 时 钟 信 号 频 率 f， M = 64和 M = 128 时产生的 PWM 波的频率为 f1 ，f2 ( f1 = 2f2 ) ，为了降低滤波电路的复杂度，使用插空 方法让 FPGA 输出频率恒定的 PWM 波。假定输出 频率恒为 f1 的 PWM 波，图 3 是工作原理示意图。
基于FPGA IP CORE的正弦信号发生器
基于FPGA IP CORE的正弦信号发生器【摘要】针对传统基于FPGA设计直接数字式频率合成器的方法存在的代码量大且使用较多的FPGA逻辑资源的不足，本文使用了一种基于Xilinx FPGA IP Core的DDS设计方法。
直接调用已经封装好的DDS Core，无需编写DDS程序代码，只需熟悉core的接口定义和操作方法。
实际应用表明，该方法能够大大提高设计效率且使用较少的FPGA资源，输出信号具有失真度低、稳定度好、分辨率高等优点。
【关键词】DDS；现场可编程门阵列；直接数字频率合成；The Design of Sine Signal Generating Device Based on FPGA IP CoreSHEN Yong（Department of mechanical and Electronic，Heze University）【Abstract】To aim at the defect of the traditional methods of Direct Digital Frequency Synthesis based on Xilinx FPGA，which require more program codes and occupy more FPGA resources. A new design method of DDS based on Xilinx FPGA IP CORE is introduced，it directly applies the encapsulated DDS core，and have no requirement of writing DDS program codes but being familiar with the interface definitions and operations of the core. The practical applications show that this method can greatly improve the design efficiency with less FPGA resources and can realizes programmable control of the frequency and phase of output wave，meanwhile，the signal has a low distortion，good reliability and high resolution.【Key words】Xilinx；FPGA；DDS；IP Core0 引言由于芯片设计的复杂性和产品面市时间对于保证终端市场的成功率至关重要，设计师不断寻求缩短设计周期的方法，以及更有效的设计方式。
基于FPGA的信号发生器
基于FPGA的信号发生器摘要本次设计课题为应用VHDL语言及MAX+PLUS II软件提供的原理图输入设计功能，结合电子线路的设计加以完成一个可应用于数字系统开发或实验时做输入脉冲信号或基准脉冲信号用的信号发生器，它具结构紧凑，性能稳定，设计结构灵活，方便进行多功能组合的特点，经济实用，成本低廉。
具有产生三种基本波形脉冲信号（正弦波、矩形波和三角波），以及三次（及三次以下）谐波与基波的线性组合脉冲波形输出，且单脉冲输出脉宽及连续脉冲输出频率可调，范围从100HZ到1kHZ,步进为100HZ；幅度可调，从0到5伏，步进为0.1V。
关键词：信号发生器， FPGA，EDA，VHDL语言。
AbstractThe design project for the application VHDL language and MAX + PLUS II software provides the principle diagram input function design, combined with the design of the electronic circuit to complete a can be applied to digital system development or experiment do input pulse signal or reference pulse signal with signal generator, it has compact structure, stable performance, design structure agile, facilitate multi-function combination of characteristics, economic and practical, the cost is low. Ability to produce three basic wave pulse signal (sine wave, rectangular wave and triangular wave), and three times (and three times the following) harmonic and base wave linear combination of the pulse waveform output, and the single pulse output pulse width and continuous pulse output frequency adjustable, ranging from 100 hz to 1 KHZ, step by step for 100 hz; Amplitude can be adjusted from 0 to 5 V, step by step to 0.1 V. Key words：Signal generator, FPGA, EDA, VHDL language.1 前言随着我国的经济日益增长，社会对电子产品的需求量也就越来越大，目前，我国的电子产品市场正在迅速的壮大，市场前景广阔。
FPGA实现正弦发生器实验报告
实验七 FPGA实现正弦发生器
一、实验目的
1、掌握QutartusII软件的使用方法。
2、掌握VerilogHDL的程序语言。
3、使用原理图输入文件设计程序的顶层实体，查表法实现正弦波发生器。
学习signal tap调试程序的方法。
4、实现三角波和锯齿波。
二、验所用仪表及主要器材
PC机一台，QuartusII软件，FPGA开发板。
三、实验原理简述
基于原理图的模块化设计方法
顶层设计如下：
根据原理图管脚分配
主时钟：50M晶振提
复位及8个灯的电路
四、实验结果记录（如数据、表格、曲线、计算等）
正弦波：
三角波：
锯齿波：
五、实验遇到的问题及解决办法（余留问题、体会等）
这次是第一次用这个软件设计原理图，所以刚开始很陌生，也不知道怎样生成原理图符号，通过和同学交流对设计顶层原理图有了一个大概的了解，然后自己再一步一步慢慢做，由于自己的粗心在选元器件时发生了错误，定义引脚时没有找到合适的引脚，通过检查发现了错误，磕磕绊绊的最终也完成了实验，再一次让我知道了做实验一定要细心。
六、主要源代码
12分频
module test(test12,clk);
output test12;
input clk;
reg test12;
reg[2:0]cnt;
always@(posedge clk)
begin if(cnt==3'b101)
begin test12<=~test12;cnt<=0;end
else
begin cnt<=cnt+1;end
end
endmodule。
基于FPGA的正弦信号发生器
基于FPGA的正弦信号发生器设计摘要：本设计结合了EDA技术和直接数字频率合成（DDS）技术。
EDA技术是现代电子设计技术的核心，是以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化的设计技术。
DDS技术则是最为先进的频率合成技术，具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位连续、输出相位噪声低等诸多优点。
本文在对现有DDS技术的大量文献调研的基础上，提出了符合FPGA结构的正弦信号发生器设计方案并利用MAXPLUSⅡ软件进行了设计实现。
文中介绍了EDA技术相关知识，同时阐述了DDS技术的工作原理、电路结构，及设计的思路和实现方法。
经过仿真测试，设计达到了技术要求。
关键词：现场可编程门阵列（FPGA）；直接数字频率合成（DDS）；正弦波信号发生器The design of sine signal generating devicebased on FPGAAbstract：The design that combines EDA technology and Direct Digital Synthesis (DDS) technology. EDA technology is the design of modern electronic technology at the core, electronic system design direction for the application of electronic design automation products technology. DDS technology is the most advanced frequency synthesizer technology with the high-frequency resolution and frequency switching speed, continuous phase, low phase noise output many advantages.Based on the technology of existing DDS study of the extensive literature on the basis of FPGA with the structure of the sinusoidal signal generator design and the use of FPGA II software located Total realized. The paper introduced the EDA technology-related knowledge, and elaborated on the DDS technology principle, circuit structure, and design ideas and methods. After simulation tests designed to achieve the technical requirements.Keywords：FPGA；DDS；sine signal generating device第1章绪论1.1 引言直接数字频率合成(Digital Direct Frequency Synthesis)是一种比较新颖的频率合成方法。
基于FPGA的正弦信号发生器
摘要系统设计以ALTERA公司CycloneIII FPGA开发板为硬件平台，以DDS技术为设计核心，运用SOPC和NIOS软核技术而总体设计实现。
系统DDS模块实现1KHZ-10MHZ正弦信号输出，频率步进包含10HZ-1MHZ的10为数量级的所有步进，可以实现任一频率调节，1KHZ频率误差优于10-4；完成了调幅、调频、二进制ASK和二进制PSK 调制的输出功能，并很好地满足了相应模块的指标，拥有很高的精确度和稳定度；实现了键盘、数码管、LED和串口的控制和显示，人机界面友好且易于操作，具有很好的使用价值。
关键词：DDS 信号调制 DAC FPGA NIOS目录摘要 (1)目录 (2)1．实验任务及要求 (3)1.1 实验任务 (3)1.2 实验要求 (3)1.2.1 基本要求 (3)1.2.2 发挥部分 (3)2. 设计方案选择 (4)2.1 方案比较 (4)2.2 系统设计方案 (4)3. 分模块设计与实现 (5)3.1 硬件部分实现 (5)3.2 DDS的设计实现 (6)3.3 AM的设计实现 (7)3.4 FM的设计实现 (7)3.5 2ASK的设计实现 (8)3.6 2PSK的设计实现 (9)3.7 Quartus硬件设计 (10)3.8 NIOS软核控制 (11)3.9 人机界面设计 (11)4. 调试效果图 (12)5. 问题及解决方案 (14)6. 组员分工........................................ 错误！未定义书签。
7. 总结与感想...................................... 错误！未定义书签。
参考文献.. (14)附录 (16)1．实验任务及要求1.1 实验任务设计一个可输出正弦波，频率可调的简易信号发生器。
1.2 实验要求1.2.1 基本要求1、正弦波输出频率范围：1KHz～10MHz；2、具有频率设置功能，频率步进为100Hz；3、输出信号稳定度:优于10-4；4、输出电压幅度：在负载电阻50Ω上的电压峰-峰值Vopp≥1V；5、失真度：用示波器观察时无明显失真；6、独立焊接、调试DAC904电路1.2.2 发挥部分在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能：1、增加输出电压幅度：在频率范围内负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V±1V；2、产生模拟幅度调制（AM）信号：在1MHz—10MHz范围内调制度ma可在10%～100%之间程控调节，步进量10%，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；3、产生模拟频率调制（FM）信号：在100kHz—10MHz频率范围内产生10kHz最大频偏，且最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；4、产生二进制PSK、ASK信号：在100kHz固定频率载波进行二进制键控,二进制基带序列码速率固定为10kbps,二进制基带序列信号自行产生；5、良好人机界面：具有键盘控制频率（步进可调）和波形输出、LCD/串口/数码管显示频率和输出波形类型功能。
基于某FPGA地三相正弦波发生器
短学期课程设计报告设计名称: 电子技术课程设计设计题目：基于FPGA的三相正弦波发生器院（系）：信息学院计算机科学与技术系年级：2014级指导教师：张辉波西南交通大学2016年7月目录一、绪论 (4)1.1 设计目的 (4)1.2 设计要求 (4)二、方案设计 (4)2.1 概论设计 (4)2.2 各子系统模块 (5)2.3 使用器件说明 (5)三、详细设计 (6)3.1设计原理 (6)3.2正弦波设计 (6)3.3三相波叠加 (7)3.4分频设计 (8)3.5引脚锁定 (9)四、测试及使用说明 (10)4.1测试步骤 (10)4.2实验结果 (11)五、结论 (13)六、实习总结 (13)附件： (16)1.电路原理图 (16)2.PCB版图 (16)3.Verilog代码 (17)一、绪论1.1设计目的三相交流电是三个频率相同的交流电的组合，相位彼此相差120度，主要应用于需要大电力的场合并且三相交流电的频率可调。
在此基础上研究关于三相正弦波的研究。
基于FPGA的三相正弦波发生器，在CycloneⅡ系列EP2C8T144C8上实现正弦波信号的产生，利用单片机PICl8F4550控制波形的频率及相位差。
同时单片机通过DAC0832控制波形数据转换DAC参考电压实现在波形幅度的控制，D／A输出的波形经过放大后输出。
输出的三相正弦波有利于观察。
1.2设计要求关于此次三相正弦波的设计有两种任务要求，基本要求为输出的电压在0-5V之间可调。
输出的信号频率为50Hz。
正弦失真度在+/- 5%之间。
而提高要求为输出三相方波，并且三相波要可调频可调相。
本组要完成的任务是简化版，故任务要求是输出频率为50Hz的三相正弦波即可。
二、方案设计2.1概论设计首先先完成单相正弦波的代码，实现单相正弦波波形的输出，然后绘制电路图，此时的电路图是不能调频调相的。
然后进行分频操作，将两个add1地址叠加，然后输出的三个ROM里读出数据即为存入的正弦波序列。
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可见 , 通过单片机来控制 N 值, 就可改变输出 正弦 波的 频率。该 信号 发生 器可 产生 出 1H z 到 20KH z 的正弦信号 , 适用于对音频信号的处理中。
3
FPGA 分频设计
图 4 是在 M AX+ PL US
[ 3]
下完成任意 N 分频
的顶层文件图 。主要分为模 N 计数器和 50 分频 器两大模块。模 N 计数器及其周围的门电路完成 对输入时 钟 的任 意 N 分 频; 50 分频 器 模 块提 供 M AX295 的控制时钟和输入信号。
第 22 卷 第 8 期 2006 年 8 月
甘肃科技 Gansu Science and T echnolo gy
Vol . 22 N o. 8 A ug. 2006
基于 FPGA 和 MAX295 的正弦信号发生器
王睿庭 , 马胜前 , 金桂梅
1 1 2
( 1. 西北师范大 学 物理与电子工程学院 , 甘肃 兰州 730070; 2. 日照职业技术学院 机电系 山东 日照 276826)
( 5) 培养学生在掌握基本原理的前提下, 尽量多 了解一些数控软件、 数控系统。在全球经济一体化 进程日益加快, 以及全球制造业重点开始向中国转 移的背景下 , 国内外众多数控软件、 数控系统呈百花 齐放态势, 教学应充分考虑学生在就业中的即时上 手能力 , 主流的系统要掌握 , 特殊的要了解。 ( 6) 以分期投资、 校校合作方式建设数控培训基 地。数控专业是高投入的专业, 设备投入情况为中 专学校 约计 300 万 左右、 高 职 800 万 左 右、 大学 1500 万左右, 数控培训基地建设是 基本模式, 采用 分期建设或校校合作建设是较好的方式 , 前者可以 缓解建设资金不足问题 , 后者可以使实验设备等专 业资源使用效率得到提高。 ( 7) 培养学生有较强动手能力是数控专业教学 的根本目的。国外及国内成功经验显示, 该专业! 实 验 实训 实习∀ 课比重应达到 60% 以上。学 校要以科学的教育理论做指导, 坚持以实践教学为 重点, 改革传统教学方式, 创新观念, 探索符合职业 人才培养的模式和针对性强、 时效性好的教学组织 形式。 ( 8) 学校要鼓励新建专业进行教育创新。新专 业建设要有开拓性和创新意识, 学校要为教育创新 提供风险实践的机会和支持 , 营造相对宽松的、 有较 大能动性的工作环境 , 最大程度地调动起专业教师 及学术骨干的工作积极性。
( 上接第 106 页 )
参考文献 : [ 1] 谭会生 , 张昌凡 . ED A 技术 及应用 . 西安 : 西安电子 科 技大学出 版社 , 2004. 4 [ 2] [ 3] M A XIM 1993 N EW RELEA SES DA T A BOO K V OL UM E % 黄任 . V HD L 入门 & 解惑 & 经 典实 例 & 经 验总 结 . 北 京 : 北京航空航天大学出版社 , 2005. 1
4
结束语
! 职业院校制造业和现代服务业技能型紧缺人
才培养培训工程∀ 已经列入 #2003- 2007 年教育振 兴行动计划∃ , 说明数控专业将保持较长时间的紧缺 人才培养需求。广大职 业教育工作者 必须认清形 势 , 迎接挑战 , 努力探索加快数控技术人才培养的新 模式, 为我国的制造业做出应有的贡献。
4
结语
该信号发生器经实验测试 , 效果良好, 且简单实
用, 和单片机连接即可实现程控 , 但受到 FP GA 分 频的限制 , 输出正弦波在高频时频率间隔较大 , 还需 做进一步的改进。
图4
FPGA 分频设计顶层文件图
图 5 和图 6 分别是奇分频和偶分频时的波形仿真图。
图5
奇分频波形仿真图
图6
偶分频波形仿真图
( 下转第 136 页)
136Βιβλιοθήκη 甘肃科技
第 22 卷
! 双师型∀ 师资队伍建设可以采用两种方法, 一是从 企业引进人才, 通过以老带新、 参加教研活动, 使其 通过教育教学基本功关 , 从而达到 ! 双师型 ∀ 教师的 要求 ; 二是让现有的教师提高专业实际能力, 这可以 用以下方法来实现: a. 与企业签定教师挂职锻炼协议, 让教师到工 厂挂职锻炼; b. 结合学校的重点实验室建设、 实训室建设 , 组织教师进行高级教学仪 器设备的设计、 制作、 组 装、 调试, 来达到专业实践能力的提高; c. 教师去教育部定点培训基地参加培训 , 也是 一种很好的! 双师型∀ 教师培训方案 ; d. 由学校课题负责人, 根据学校的实际情况 , 下 达设计与制作高级教具的课题任务 , 召集校内外( 以 校内为主 ) 不同专业的教师、 工程师进行研制, 积极 调动教师参与实际活动, 较快地提高教师的技术应 用能力, 加快! 双师型∀ 师资队伍的建设。 ( 3) 学校要根据专业培养方向和设备状况编写 适用的教材。先进制造技术专业的课程内容具有先 进性、 综合性、 实践性的特点。随着我国! 国际制造 业基地∀ 地位的逐步确立 , 产业结构调整和产品结构 调整的速度加快 , 新技术在企业中的应用可以说日 新月异, 教材内容必须及时跟上企业的变化。同时 , 各学校所购置的实验设备、 实训设备各不相同 , 如果 采用统一的教材, 将不适宜各校的具体情况。教材 具有培养方向和设备状况上的针对性, 是教学效率 和培养效果的保证。所以应针对本校的实际情况及 所培养学生的具体情况, 编写相适用教材。同时, 在 教材编写过程中专业教师也会由此不断得到提高。 ( 4) 数控专业要办出高度 , 必须走! 产、 学、 研∀ 并 举的道路。务实、 勤奋、 上进、 团结的核心科研团队 组建是实施的关键。在日常教 学的同时要善 于学 习, 做好知识储备和积累 , 将教学活动延伸到生产和 科研上来 , 提升专业建设的综合水平。
图2 MAX295 在 3 dB 截止频率为
1KH z 时的幅频响应曲线
2
设计原理
该信号发生器的设计原理框图如图 3 所示 :
106
甘
肃
科
技
第 22 卷
图3
信号发生器的设计原理框图
其中, 1M H z 时钟可由晶振或信号源提供, N 值 可通过数码开关设置或由单片机控制; F PGA 完成 对输入 1MH z 时钟的任意 N 分频及提供 M AX295 的控制时钟和输入信号 , 电平变换电路把 T T L 电 平方波变换成正负电平方波 ; M AX295 完成在可控 时钟下的输入为正负电平方波转换成输出为不平滑 的正弦波 ( 这是由 MAX295 的开关电容滤波特性决 定的 ) , 因此需要再通过一个低通 滤波器 L P ( 可用 MAX295 内部的放大器组成 ) 做平 滑处理, 幅 度调 节电路完成对输出正弦波的幅度调节。
图 1 MAX295 引脚
OP INOP OU T
M AX295 的放大器反相输入端。 M AX295 的放大器输出端。
图 2 是 MAX295 在 3dB 截止频率为 1KH z 时 的幅频响应曲线。
1
MAX295 芯片介绍
MAX295 芯片是 M axim 公司生产的八阶巴特 沃思型开关电容低通 滤波器[ 2] 。它的 3dB 截 止频 率可以从 0. 1H z 到 50KH z, 时 钟对 3dB 截止 频率 的比为 50: 1, 因此时钟最大可到 2. 5M H z。 图 1 是它的引脚排列情况。其中 V+ 正电源输入端。 VGND CL K IN OU T 负电源输入端。 模拟地。 时钟输入端。 滤波器输入端。 滤波器输出端。
摘
要: 本文介绍了利用 F PGA 和 MAX295 设计正弦信号发生器的原理及电路组成 , 与传统的正
弦信号发生器相比, 此种方法具有简单实用、 可程控的特点 。 关键词: F PGA, M AX295; 信号发生器 中图分类号 : TN927. 2 在教学和科研中, 广泛使用各种正弦信号发生 器。目前 , 国内使用的大多是模拟振荡式结构 , 输出 的正弦波不能和计算机连接实现程控。因而, 利用 FP GA 技术开发可程控的正弦信号发生器是有必要 的。 FP GA 是现场 可编程 门阵 列 ( F ield Prog ram m able Gat e Ar ray ) 的简称 [ 1] 。 F PGA 器 件及其 开 发系统是开发大规模数字集成电路的新技术。大规 模可编程逻辑器件 F PGA 是当今应用最广 泛的可 编程专用集成电路( ASIC) , 利用它可设计出所需的 专用集成电路, 从而大大缩短了产品上市时间 , 降低 了开发成本。此外 , FP GA 还具有静态可重复编程 和动态在系统重构的特性, 使得硬件的功能可以像 软件一样通过编程来修改。因此, F PGA 技术的应 用前景非常广阔。 本文就利用 FP GA 和 MA X295 设计了一个可 程控的正弦信号发生器。