2022年波形发生器的电路方案设计书.docx

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1、黑龙江高校本科生毕业论文（设计）档案编码： jx21-045-080615W- 学号学院：电子工程学院专业：集成电路设计与集成系统年级： 2006同学姓名：毕业论文题目： 指导老师：装订日期：2021年 5月 28日备注栏摘要依据现代电子系统对信号源的频率稳固度、精确度及辨论率越来越高的要求，也是为了能过便利的产生波形平滑、频率稳固的任意波形，本文供应了一种任意波形发生器的设计方案；从而结合直接数字式频率合成器（DDS）的优点，利用 FPGA 芯片的可编程性和实现方案易改动的特点，提出一种基于FPGA 和 DDS 技术的任意波形发生器设计方案；采纳VHDL （运用自顶向下设计思想设计多功能数字

2、波形发生器的问题）和原理图输入方式，在QuartusII 平台下实现该设计的综合、仿真；通过试验可以看出，采纳该方法设计的任意波形发生器输出的波形与传统的波形发生器相比，具有波形平滑、无毛刺、波形稳固度高、频率稳固度和辨论率高等众多优点；而且该波形发生器电路简洁，程控便利，产生的波形具有相噪好、频率步进低、输出电平辨论率小和相位可调等优点；关键词波形发生器；现场可编程门阵列；直接数字频率合成AbstratAccording to modern electronic systems for signal source frequency stability, accuracy and resol

3、ution of increasingly high demands, also have a wave in order to facilitate smooth any waveform, frequency stability, this article provides you with anarbitrary waveform generator design. Combination of direct digital frequency synthesizer DDS the advantages of using programmable FPGA chip and solut

4、ion features easy changes,proposed a design based on FPGA and arbitrary waveform generator based on DDS technology programmer. VHDL using top-down design problems of the design of multifunction digital waveformgenerator and schematic capture,Quartus II implements the integrated design, simulation pl

5、atform. Through experiments, we can see, using the method output waveforms of arbitrary waveform generator and the design of tradition than waveform generator, smooth, glitch-free, with waveform wave high stability, and high frequency stability and resolution of many benefits. And the waveform gener

6、ator circuit is simple, easy to program, the resulting wave with phase noise, low step frequency, output level resolution and phase adjustment and other benefits.Keywordswaveform generator； field programmable gate arrays； directdigital frequency synthesis目录摘要 IAbstractII第一章绪论 11.1 讨论背景 11. 2 目的意义 11

7、.3 国内外讨论现状 21.3.1 外讨论现状 错误！未定义书签；1.3.2 内讨论现状 错误！未定义书签；1.4 国内外讨论进展趋势 错误！未定义书签；1.5 论文内容及支配 2其次章数字密码锁的基本原理 22.1 设计原理 22.1.1 密码锁设计总体框架 错误！未定义书签；2.1.2 密码总量的确定 错误！未定义书签；2.1.3 密码制式的挑选 错误！未定义书签；2.2 密码锁的结构体 错误！未定义书签；2.2.1 分频模块 错误！未定义书签；2.2.2 盘模块错误！未定义书签；2.2.3 信号掌握处理模块 错误！未定义书签；2.2.4 显示模块 错误！未定义书签；2.3 本章小结： 错

8、误！未定义书签；第三章基于 FPGA 的设计及 VHDL 语言介绍 33.1 FPGA 开发简介及进展 33.1.1 FPGA设计方法及流程 33.1.2 进展趋势 43.1.3 进展特点 43.2 硬件描述语言简介 53.3 本章小结 7第四章 QUARTUS系统环境下 FPGA 数字密码锁的仿真及分析 84.1 QUARTUS简介 84.2 程序仿真及分析 94.3 本章小结 错误！未定义书签；结论 9参考文献 10附录一 10致谢 11第一章 绪论1.1讨论背景FPGAField Programmable Gate Array即现场可编程门阵列，属于可编程规律器件的一种，是目前广泛采纳的

9、一种可编程器件，它的应用不仅使数字电路系统的设计非 常便利，并且仍大大缩短了系统研制的周期，缩小了数字电路系统的体积，而且其时 钟频率已可达到几百兆赫兹，加上它的敏捷性和高珍贵性，特别有用与波形发生器的 数字电路部分；可编程规律器件 Programmable Logic Device, PLD）起源于 20 世纪 70 岁月，是在专用集成电路的基础上进展起来的一种新型规律器件，是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写；在修改和升级PLD 时，不需额外地转变 PCB 电路板，只是运算机上修改和更新程序，是硬件设计工作

10、成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的敏捷性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐，形成了庞大的 PLD 产业规模；作为一种为电子测量和计量供应电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最一般、最基本，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎全部点参量的测量都需要用到信号发生器；从本质上看，测量时一个将客观物理量转换成测试信息量的变换过程 1；1. 2 目的意义在电子技术领域，常常需要频率、波形、幅度都可调剂的电信号，用于产生这种电信号的电子仪器称作信号发生器；随着现代电子技术的进展，在雷达、宇航、导航、通讯、电视广播、电子测量、电子对抗和遥控遥测等有用领域，人们对信

11、号源的频率稳固度、频率纯度、范畴和输出频率等提出了越来越精密的要求；而为了提高频率的稳固度，人们常常采纳的是晶体振荡器等方法来解决，但是已不能满意众多应用场合的要求；相伴着电子测量技能与运算机技能的紧密结合，一种新的信号发生器任意波形发生器应运而生，它可产生由用户定义的任意复杂的波形，因而具有宽阔的运用进展前景；1.3 国内外讨论现状自从上世纪 40 岁月惠普为美国海军试验室开发出第一台信号发生器开头，信号发生区始终随着电子技术、半导体技术和运算机技术的进展而进展，几乎成为这些技术进展 的缩影；从技术上看，信号发生器经受了由模拟信号发生器、数字信号发生器到虚拟 信号发生器的进展过程 2 ；传统

12、的波形发生器只能产生一些常规的信号如脉冲波、方波、正弦波、三角波等；随着科学的不断进展，传统的发生器在一些场合已经不能满 足特定的要求了，在很多讨论领域中，不但需要一些常规的信号，仍需要一些不规章 信号；如某些电子设备的性能指标测试、系统中各种瞬变波形和电子设备中显现的各 种干扰的模拟讨论，仍比如说电镀电源对于镀层的影响等；对于这项领域的讨论，我国起步较晚，与国外先进技术相比仍有很大差距，因此开发高性价比的任意波形发生器是迫在眉睫，对于我国电子行业有很大的意义，具有很广泛的应用前景，也可打破国外技术的垄断和封锁；1.4 论文内容及支配其次章 波形发生器的基本原理2.1 基本原理由于是结合直接数

13、字式频率合成器，第一先介绍几个概念：1. 频率稳固度：频率稳固度标识了工作频率的稳固程度；频率稳固度a 频率稳固度发信机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0 表示；工作频率的稳固度取决于发信本振源的频率稳固度；设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为f ，就频率稳固度的定义为频率稳固度式中为K 为频率稳固度；（ K=f/f0）2. 频率辨论率：频率辨论率是指将两个相邻谱峰分开的才能；在实际应用中是指辨论两个不同频率信号的最小间隔；3. 输出频率输出范畴：输出频率范畴是指频率合成器输出最低频率fomin和最高频率 fomax 之间的变化范畴； fmaxfmin 越大，频率合成器的输

14、出频率范畴越宽，有时也对相对带宽 f 来衡量其输出频率范畴：f=fmax-fmin ）/ （ fmax+fmin ）/2*100%第三章 基于 FPGA 的设计及 VHDL 语言介绍3.1 FPGA 开发简介及进展3.1.1 FPGA 设计方法及流程FPGA 是可编程芯片，因此 FPGA 的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分；硬件包括 FPGA 芯片电路、储备器、输入 /输出接口电路以及其他设备，软件即是相应的 HDL 程序以及最新才流行的嵌入式 C 程序；目前微电子技术已将进展到SOC 阶段，即集成系统（ Integrated System）阶段， 相对于集成电路（ IC）的设计思想有着革

15、命性的变化； SOC 是一个复杂的系统，它将一个完整产品的功能集成在一个芯片上，包括核心处理器、储备单元、硬件加速电源以及众多的外部设备接口等，它具有设计周期长、实现成本高等特点，因此器设计方法必定是自顶向下的从系统级到功能模块的软、硬件协同设计，达到软、硬件的无缝结合；自顶向下的设计流程从系统级设计开头，划分为如干个二级但愿，再把各个二级单元划为下一层次的基本，始终下去，知道能够使用基本模型或者IP 核直接实现为止；流行的 FPGA 开发工具都供应了层次化治理，可以有效地梳理复杂的层次，使得用户能够便利地查看某一层次模块的源代码，以便修改错误；FPGA 的设计流程就是利用 EDA 开发软件和

16、编程工具对 FPGA 芯片记性开发的过程；FPGA 的开发流程一般包括电路功能设计、设计输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现与布局布线、时序仿真与验证、板级仿真与验证以及芯片编程与调试等主要步骤；3.1.2 进展趋势可编程规律器件的进展可以划分为 4 个阶段，即从 20 世纪 70 岁月初到 70 岁月中为第一阶段， 20 世纪 70 岁月中到 80 岁月为其次阶段， 20 世纪 80 岁月到 90 岁月末为第三阶段， 20 世纪 90 岁月末到目前为第四阶段；第一阶段的可编程器件只有简洁的可编程只读储备器（PROM）紫外线可擦除只读储备器（ IPROM）和电可擦除储备器（ EEPROM）3

17、 种；由于结构的限制，他们只能完成简洁的数字规律功能；其次阶段显现了结构上略微复杂的可编程阵列规律（PLA ）和通用阵列规律（ GAL ）器件，正式被成为PLD，能够完成各种规律预算功能；典型的 PLD 由“与”、“非”阵列组成用 “与或 ”表达式来实现任意组合规律，所以PLD 能以乘积和形式完成大量的规律组合；第三阶段，Xilinx和 Altera 公司分别推出了与标准门阵列类似的 FPGA 以及类似于 PLA 结构的扩展性 CPLD；它们提高了规律运算的速度，具有体系结构和规律单元敏捷、集成度高以及使用范畴宽等特点，兼容了 PLD 和通用门阵列的有点，能够实现超大规模的电路，编程方式也很敏

18、捷，成为产品原型设计和中小规模（一般小于10000）产品生产的首选；第四阶段显现了SOPCSystem On Programmable Chip，编程的片上系统 和 SOC（ System On Chip，片上系统）技术；它们是 PLD 和 ASIC 技术融合的结果，涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据首发期间、复杂运算以及嵌入式系统设计技术的全部内容；Xilinx和Altera 公司也推出了相应的 SOCFPGA 产品，制造工艺已达到 65um，系统门数也超过百万门；3.1.3 进展特点大容量、低电压、低功耗FPGA；由于便携式应用产品的进展，对FPGA 的低电压、低功耗、的要求日益迫切；

19、因此，无论那个厂家、那种类型的产品，都在瞄准这个方向而努力；系统级高密度 FPGA；随着生产规模的提高，产品应用成本的下降，FPGA 的应用已经不是过去的仅仅使用于系统接口部件的现场集成，而是将它敏捷地应用于系统级（包括其核心功能芯片）设计之中；FPGA 和 ASIC 显现相互融合；虽然标准规律ASIC 芯片尺寸小、功能强、低功耗，但其设计复杂，并且有批量要求；FPGA 价格较低廉，能在现场进行编程，但它们体积大、才能有限，而且功耗比ASIC 大；正因如此， FPGA 和 ASIC 正在相互融合，取长补短；动态可重构 FPGA；动态可重构FPGA 是指在肯定条件下芯片不仅具有在系统重新配置电路

20、功能的特性，而且仍具有在系统动态重构电路规律的才能；3.2 硬件描述语言简介可变成规律器件内部包含可编程的“与或”门阵列或者查找表结构以及可编程的触发器，这些资源来供应了实现包括组合规律电路和时序规律电路的硬件基础；如果试图通过手工对每个规律门的输入和触发器的工作进行状态进行“编程”，可以想象那是多么的麻烦；在实际电路的组装方面，这样与基于标准规律器件设计数字系统相比并没有实质性的转变；电子设计自动化（ Electronic Design Automatic, EDA ）技术应用运算机克服了上述困难为可编程规律器件供应了一种简洁且便利的方法；电子设计自动化技术，使得设计者的工作仅限于利用软件的

21、方式来实现系统的硬件功能；在电子设计自动化的工具平台上，设计者可以使用硬件描述语言（Hardware Description Language, HDL ）描画出硬件的结构和行为；接着完成设计文件的规律编译、罗技综合、规律优化以及仿真测试；最终把完成的设计下载到可编程规律器件中；可编程规律器件被编程以后，这个可编程规律器件便有了相应的功能； 美国国防部在 20 世纪 70 岁月末和 80 岁月初提出了 VHSIC （Very High Speed Integrated Circuit ）方案， VHSIC 方案的目标是为下一代集成电路的生产、实现阶段性 的工艺极限以及完成10 万门级以上的设计

22、，建立一项新的描述方法；1981 年，美国国防部提出了一种新的硬件描述语言，称为“超高速集成电路硬件描述语言 ”（VHSIC Hardware Description Language）,简称 VHDL ；当这个语言被首次开发出来时，其目标 只是一个使电路文本化的一种标准，主要是为了使用采纳了文本描述的设计能够为其他人锁懂得，同时也用作模型语言，能采纳软件进行模拟；VHDL的结构和设计方法收到了 Ada 语言的影响，并吸取了其他硬件描述语言的优点；1986 年， IEEE 致力于VHDL 的标准化工作，为此成立了VHDL 标准化小组，经过了多次的修改与扩充，知道 1987 年 12 月 VHD

23、L 才被接纳为 IEEE 1076 标准； 1988 年， Milstd454 规定全部为美国国防部设计的 ASIC 产品必需采纳 VHDL 来进行描述； 1993 年， IEEE 1076 标准被修订，更新为新的VHDL 标准 IEEE 1164；1996 年， IEEE1076.3 成为 VHDL 综合标准；今日， VHDL已经成为一个数字电路和系统的描述、建模、综合的工业国际标准，因此在电子产业界获得了广泛的应用；VHDL能够成为标准并获得广泛应用，必定具有与其他硬件描述语言不同的地方，这恰恰是VHDL 的优越性所在；下面我们对VHDL 的特点惊醒介绍，第一来看看VHDL的有点：功能强大

24、、设计敏捷； VHDL 具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的程序来描述复杂的规律功能；为了有效掌握设计的实现，它仍具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成；它支持阶层设计，层层细化，最终可直接生成电路级描述；VHDL仍支持同步电路、异步电路和立即电路的设计； VHDL 的设计特别敏捷，这主要源于VHDL 支持各种设计方法；强大的系统硬件描述才能；VHDL具有多层次描述系统硬件功能能 力，可以从系统的数学模型知道门级电路；另外，高层次的行为描述可以与低层次的寄存器传输描述和结构描述混合使用；VHDL能进行系统级的硬件描述，这是它最突 出的优点；移植才能强；由于电子设计自动化

25、技术的普及和推广，不同的EDA 厂商纷纷退出自己的 EDA 开发工具；各个 EDA 开发工具的不同导致了模拟工具、开发工具和操作平台的不同，这样就会对一些硬件描述语言的使用产生了限制；而这对VHDL 的使用没有丝毫的影响，现在几乎全部的EDA 开发工具都支持 VHDL ，这也正是 VHDL广泛使用的重要缘由； VHDL语法规范、标准，易于共享与复用； VHDL 语法规范、标准，可读性强；用VHDL 书写的源文件既是程序，又是文档；既是技术工程人员进行设计成果沟通的文件，也可作为合同签约者之间的合同文本；支持广泛、易于修改；由于与工艺无关易于ASIC 移植上市时间短、成本低；VHDL 作为 IE

26、EE 的工业标准具有很多其他硬件描述语言所不具有的优点以外，它也存在一些缺点：不具有描述模拟电路的才能；虽然讨论结果证明 VHDL 可以扩展到电路级上，但在电路级上 VHDL 并不是一种抱负的语言；目前 IEEE 的1076.1 小组正在设计一种心的语言，这种语言能够描述模拟电路和数模混合电路；这个新雨燕将以 VHDL 为基础，并在此基础上增加描述模拟电路的扩展内容；综合工具生成的规律实现有时不正确；技术设计人员采纳综合工具锁生成的规律实现有时候并不能让人中意，由于优化的结果往往依靠于设计的目标；EDA 工具的不同导致中和质量的不同；不同的 EDA 工具对同一 VHDL描述进行综合，往往产生不

27、同的综合质量，这是由于不同的EDA 工具采纳不同的算法所致；3.3 本章小结本章简洁介绍了 FPGA 的设计方法、流程、进展趋势和特点；并介绍了EDA 工具和VHDL 的创立、进展历史，明白了 VHDL 语言的优点、缺点以及进展；第 四 章 QUARTUS 系统环境下 FPGA 波形发生器的仿真及分析4.1 QUARTUS 简介本设计是用 ALTERA 公司供应的 QUARTUS可编程器件的集成开发软件；该软件是一种优秀的电子设计自动化平台，它供应了从设计输入、设计综合、仿真测试以及可编程规律器件的编程 /配置等开发环节的全过程支持；QUARTUS是 ALTERA公司供应的可编程规律器件的集成

28、开发软件，是该公司前一代可编程规律器件开发的整个过程，它供应一种与器件结构无关的设计环境，使 设计者便利地进行设计输入、设计处理和器件编程；QUARTUS集成开发软件适合多种平台的工作环境，其中包括PC 的 Microsoft Windows XP；它支持更多种类的可编程规律器件的开发，同时也供应在片可编程系统（System on a Programmable Chip , SOPC）设计的综合性环境和基本设计工具；另外， QUARTUS集成开发软件也可以利用第三方软件的结果，并支持第三方软件的工作；QUARTUS集成开发软件的核心是模块化的编译器；编译器包括的功能模块有分析与综合器（ Ana

29、lysis & Synthesis）、适配器（ Fitter）、装配器（ Assembler）、时序分析器（ Timing Analyzer）、设计帮助模块（ Design Assistant）、以及 EDA 网表文件生成器（ EDA Netlist Writer）等；可编程规律器件开发的全部过程为：涉及输入、综合、布局和布线、验证和仿真以及可编程规律器件的编程或配置；QUARTUS集成开发软件答应用户在开发过程中，使用QUARTUS图形用户界面、 EDA 工具界面和命令行界面；用户可以再整个开发过程中使用这些界面中的任意一个，也可以在开发过程中的不同步骤使用不同的界面；4.2 程序仿真及分析结论参考文献附录一程序清单 :致谢在本论文的写作过程中，我的导师邱成军老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的详细问题，严格把关，循循善诱， 在此我表示诚心感谢；当然，同时我仍要感谢在我学习期间给我极大关怀和支持的各位老师以及关怀我的同学和伴侣，难忘那些一起学习的日子，这些都让我得到了进 步；程序经过不断调试，最终得以实现；写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开头；最终，再一次感谢我的老师和帮忙我的同学们；GggHhhh