1 设计意义及现状分析

信号发生器用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在计算机控制技术与电子技术飞速发展的今天，信号发生器的应用越来越广。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，要求提供符合所定技术条件的电信号。 

在自动控制系统和教学实验及生产实践中，如工业过程控制、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，正弦波、三角波和方波信号是常用的基本信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。函数发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。

传统的函数信号发生器统信号发生器只能产生正弦波、方波、三角波等基本波形。目前购买的信号发生器价格昂贵，功能强大。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常用到低频信号源。而完全由硬件电路构成的低频信号其性能难以让人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大，大电阻，大电容在制造上有困难，参数的精度亦难以保证。体积大，漏电，损耗显著更是其致命弱点。另外，低频信号发生器可用于校验频率继电器，同步继电器等，也可作为低频变频电源使用。

本次设计的低频信号发生器不仅能产生这些基本波形，还可输出任意波形且价格低廉。该设计基于AT89C51 单片机的发生器可产生正弦波、三角波、方波、锯齿波、梯形波等五种波形，波形的频率可以用程序改变，幅度四档调节。它具有线路简单、结构紧凑，使用方便等优点。

2 方案的确定

2.1传统信号发生器  

    方案一为传统的函数信号发生器。常见的555定时器构成的函数信号发生器电路图如图1所示。

图1 传统函数信号发生器

传统的信号发生器其功能完全靠硬件实现,功能单一而且用户的购置、维护费用高。更重要的是,对于传统的信号发生器,其功能一旦确定便不能更改,用户要想使用新的功能则必须重新购买新的仪器,传统信号发生器的不足显而易见。传统信号发生器通过调节硬件的参数改变频率。

2.2 基于单片机的信号发生器

   第二种方案是基于单片机，其系统结构如下图2所示。

 

图2 低频信号发生器方框图

该设计采用软硬件结合方法，能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波和梯形波等五种波形。其中梯形波是一般信号发生器所不能产生的。同时其频率小范围内可调，幅度分为四档调节。运算放大器输出接至示波器观察波形。另外，可以根据需要，通过修改程序来产生其它波形，AT89S52芯片具有在线编程功能。它具有线路简单、结构紧凑，使用方便等优点。

2.3 方案的选择

 对于第一种方案，整个系统为硬件系统，不包括任何软件部分，且维护费用高。而方案二，软硬件相结合，同时，具有线路简单、结构紧凑，使用方便等优点。综合两方案的优缺点，最终选择方案二，即采用基于单片机的信号发生器。

3 设计思路

本系统由单片机、显示接口电路，波形转换（D/A）电路，按键等部分构成。最终波形可用示波器观察。选用常见的8051单片机作为控制器，型号为AT89S52。采用DAC0832作为D/A转换器。

传统的低频函数信号发生器频率一般在20Hz～200kHz。本次低频信号发生器的要求频率为0.5～50Hz，是怎样达到这种超低频的呢？在对模拟信号转换为数字信号过程中，常常需要把波形的一个周期均等地分成N段。为了使输出信号尽量减少失真，输出波形比较光滑，要尽量使N较大。图3所示为正弦波的离散化处理。

图3 正弦信号离散处理

    本设计波形的一个周期由256个采样点构成。DAC0832采用CMOS工艺，转换时间1μs.AT89C51单片机的定时器选有四种工作方式。工作方式0为13位定时器，方式1为16位，方式2,3均为8位。这里选用方式工作方式1才能满足频率要求。采用振荡频率为12MHz的单片机，则机器周期为1μs，能定时的最大值为2^16=65536μs。

            fmin=1/（256*65536*10^(-6))=0.0596Hz<0.5Hz

            fmax=1/(256*10^(-6))=3906.25Hz>50Hz 

    若考虑到留有余量，也能达到要求。  

    本次设计采用软件方式即编写程序来输出波形。软件设计的总体思想是将各个波形的数据表存储在程序存储器中，间隔一段时间输出一个点，一个周期（256个点）过后再循环输出。

4 调试方法

本次设计采用采用Proteus软件进行仿真。Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus软件是世界上著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

 在KEIL软件中编写好程序后，编译生成HEX文件。只需在Proteus软件中画好电路原理图，将HEX文件下载到电路原理图的单片机中便可进行仿真调试。另外Proteus软件还支持和KEIL软件联调的方式，更加容易看出程序中的问题。所以需要熟练使用Proteus软件和KEIL软件。

5 预期目标

    该题目设计要求能输出正弦波、三角波、方波等波形可通过按键选择要输出的波形、调整输出频率、幅值大小并通过数码管显示。输出信号的频率可以在0.5～50Hz范围内调整。

设计内容：1、信号源生成方案；

          2、硬件装置的设计与制作；

          3、调试并运行成功； 

6 可能遇到的问题

本设计为信号发生器的设计，可能会遇到如下的问题：

l  波形失真。

    这个跟模数转换芯片，运放，焊接质量的好坏等都有关系。

l  频率的调节。

    要做到频率可以比较连续地调节可能会比较困难。

l  软件编程。

    以前很少接触到这种包括多个模块应用系统，程序代码可能比较多。

7 进度安排

 表1 毕业设计进度安排表

参考文献

[1]李萍.AT89S51单片机原理、开发与应用实例.中国电力出版社,2008

[2]李荣正等.PIC单片机原理及应用（第三版）.北京航空航天大学出版社，2006

[3] 林伸茂.8051单片机彻底研究实习篇.中国电力出版社，2007

[4]李建忠.单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社，2008

[5]徐阳，钟宝荣.基于单片机的低频信号发生器设计.长江大学学报，2008

[6]王玮.51单片机与PC机串行通信接口的设计.硅谷，2009（6）

[7]余仲铭,刘华东.采用protel99se设计89C51单片机应用系统.电子制作,2005(12)

[8]朱清慧.Proteus：电子技术虚拟实验室.中国水利水电出版社，2010

[9]楼然苗,胡佳文,李光飞.单片机实验与课程设计:Proteus仿真版.浙江大学出版社,2010

[10]周润景,张丽娜,刘映群.PROTEUS入门实用教程.机械工业出版社，2007

[11]祁伟,杨亭.单片机C51程序设计教程与实验.北京航空航天大学出版社,2006

[12]袁涛.单片机C高级语言程序设计及其应用.北京航空航天大学出版社，2001

[13]李全利.单片机原理及应用[M].清华大学出版社,2007.

[14]何立民.单片机高级教程：应用与设计[M].北京航空航天大学出版社，2000.

[15]求实科技.单片机典型模块设计实例导航[M].人民邮电出版社，2004.

 

第二篇：基于FPGA的DDS信号发生器的设计开题报告

宁夏大学新华学院

毕业设计（论文）开题报告

题 目：基于FPGA的DDS信号发生器的设计与实现

系 （部） 信息与计算机科学系 专 业 电子信息工程专业 学 生 沈睿 学 号 12007247231 班 号 07（2） 指导教师 开题报告日期 20xx年11月19日 宁夏大学新华学院

说 明

一、开题报告应包括下列主要内容：

1．通过学生对文献论述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计（论文）的内容和要求

2．进度计划是否切实可行；

3．是否具备毕业设计所要求的基础条件。

4．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；

5．主要参考文献。

二、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。

三、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。 指导教师评语：

指导教师签字： 检查日期：

一、

直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，简称：DDS）技术是一种新的全数字的频率合成原理，它从相位的角度出发直接合成所需波形。这种技术由美国学者J.Tiercy,M.Rader和B.Gold于19xx年首次提出，但限于当时的技术和工艺水平，DDS技术仅仅在理论上进行了一些探讨，而没有应用到实际中去。近30年来，随着超大规模集成（Very Large Scale

Integration,简称：VLSI）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device,简称：CPLD）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称：FPGA）等技术的出现以及对DDS理论的进一步探讨，使得DDS得到了飞速的发展。由于其具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS技术常用于产生频率快、转换速度快、分辨率高、相位可控的信号，广泛应用于电子测量、调频通信、电子对抗等领域。近年来，已有DDS技术的波形发生器陆续被研制、生产和投入应用。

课题背景

二、目的和意义

信号源是一种基本的电子设备，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普遍、最基本也是应用最广泛的的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到信号发生器。综上所述，不论是在生产还是在科研与教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真试验的最佳工具。随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对信号发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦信号源、脉冲信号源，还能根据需要产生函数信号源和高频信号源，信号源常有三方面的用途：(1)激励源，作为某些电器设备的激励信号。(2)信号仿真，当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受的影响时，需要施加具有与实际环境相同特性的信号，加高频干扰信号，这是旧需要对干扰信号进行仿真。（3）校准源，用于对一般信号源进行校准或对比，有时称为标准源。 而传统信号发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活，已经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台。可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场要求，研究制作高性能的任意波形发生器十分

有必要，而且意义重大。基于FPGA的DDS信号发生器，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，因此发展非常迅速，尤其是最近随着现代电子技术的不断发展，其应用更是有了质的飞跃。目前我国已经开始研制信号发生器，并获得了可喜的成果，但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业，并且我国目前在波形发生器的的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。

三、拟采用方案的论述

1、技术指标

本次设计要求利用FPGA设计DDS信号发生器，利用Quartus II软件对信号发生器进行电路设计功能仿真，并对仿真结果进行分析。量化的技术指标：

(1)能够输出典型的方波，三角波，正弦波。

(2)输出量化位数：8位

(3) 输出频率≤2MHz

2、DDS基本原理

直接数字式频率合成（DDS）技术是近年来随着数字集成电路和微电子技术的发展而迅速发展起来的一种新的频率合成技术。其基本原理就是将波形数据先存储起来，然后在频率控制字的作用下，通过相位累加器从存储器中读出波形数据，最后经过数/模转换和低通滤波后输出频率合成。这种频率合成方法可以获得高精度频率和相位分辨率、快速频率转换时间和低相位噪声的频率信号，而且结构简单集成度高。

下图1为利用FPGA设计DDS信号发生器的结构框图。该系统可实现标准的方波、三角波和正弦波输出。其中相位累加器是一个带有累加功能的加法器，它以设定的频率控制字作为步长来进行加法运算，当其和满时清零，并进行重新运算，相位寄存器它主要作用是接受发送来的相位控制字数据并进行寄存，当下一个时钟到来时，输入寄存的数据，对输出信号的频率和相位进行控制。波形存储器是DDS的关键部分，设计时首先需要对时域信号进

行采样，将采样的信号数据储存到波形存储器ROM中，每一个地址对应一个波形点的数值。整个系统各模块实在基准时钟信号CLK的控制下协调工作的。

基准时钟CLK

图1 DDS信号发生器的结构框图

3、FPGA设计模块划分

整个设计有一个顶层模块，按照功能要求划分为三个功能模块，其中第二个模块是DDS核心模块，比较复杂，又划分为四个模块。如图2所示：DDS波形发生器的FPGA的电路设计主要是用FPGA设计DDS的核心部分，即相位加法器，控制字寄存器，N位累加器，信号存储器。

图2 FPGA设计模块流程图

4、FPGA设计流程

FPGA是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的Xilinx公司，该公司于19xx年推出了世界上第一块FPGA芯片。在这二十年的发展过程中，FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的1200个可用门，90年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片，Xilinx、Altera等世界顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新的水平。

FPGA结合了微电子技术、电路技术、EDA技术，使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。一个完整的FPGA设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合后仿真、实现、布线后仿真和下板调试等主要步骤，如下图3所示。

图3 FPGA设计流程图

四、预计遇到的困难及解决方案

1、基于FPGA的DDS信号器的实现方法有多种，在选择比较合适的方案时，会遇到困难。解决方法是对各种实现方法的原理进行深入研究，对比选择较好的实现方式。

2、使用Quartus II软件编译程序的时候肯定会出现这样或那样的错误，解决方法是通过查找相关书籍或请教老师查找程序中的语法错误并改正错误。

3、在使用Quartus II软件仿真的过程中，对某些操作可能不太熟悉，解决方法是查找相关资料，学习软件的使用方法。

4、在硬件调试过程中可能不能完全达到技术指标，解决方法是更换些许元器件，需要反复调试。

五、进度安排

表1-1毕业设计日程安排表

六、参考文献

[1] 郭军朝，直接数字频率合成研究及其FPGA实现：[硕士论文]，上

海：上海交通大学微电子学与固体电子学专业，2004

[2] 姜萍、王建新、吉训生，FPGA实现的直接数字频率合成器，电子技

术应用，28(5)：43-44，2002

[3] 潘志浪，基于FPGA的DDS信号源设计：[硕士论文]，武汉：武汉

理工大学通信与信息系统专业，2007

[4] Saul PH, Direct frequency synthesis-a review of techniques and potential, IEEE

15th International Conference on Radio Receivers and Associated System

[5]

[6]

[7] Landom,UK,1900,5-9 姜雪松、张海风，可编程逻辑器件和EDA设计技术，北京：机械工业出版社，2006 王城、吴继华等，Altera FPGA/CPLD设计（基础篇），北京：人民邮电出版社，2005 谢亮，基于FPGA的DDS实现的几种方式，科技广场，(8)：

105-106，2006