基于FPGA的直接数字频率合成器的设计与实现

摘 要：直接数字频率合成器（DDS）是一种新型的频率合成技术,它具有切换时间短，分辨率高，稳定度高，易于实现频率、相位和幅度的数字控制等优点。本文设计一个基于FPGA的直接数字频率合成器，系统包括基准时钟、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A 转换器和低通滤波器(LPF)等几部分。其中系统的核心为相位累加器，我们在QuartusII 上采用VHDL语言实现相位累加器并进行功能仿真。最后在实验箱上搭建硬件测试平台，将系统下载到FPGA进行硬件测试，测试结果证明了系统的正确性。
关键字：EDA；VHDL；FPGA；模块化；DDS

Abstract: The Direct Digital Frequency Synthesis System (DDS)  is a new frequency synthesis technique. It has the advantage of short switch time, high resolution and stability, and is easy to control frequency, phase and amplitude. The paper designs a DDS based on FPGA, which including five modules: the reference clock, the phase accumulator, the amplitude/phase switching circuit, the D/A switch and low pass filter (LPF) and so on. The system's core is the phase accumulator. We use the VHDL language on Quartus II to realize the phase accumulator. Then we complete the function simulation of phase accumulator on Quartus II. Finally, we build a hardware platform on the EDA laboratory box and download the system. The results of the hardware test confirm the correctness of the system..
Key words: EDA；VHDL； FPGA；Modularization；DDS

1 EDA简介
1.1 概述
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）缩写，是90年代初从CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）、CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）、CAT（Computer Aided Match，计算机辅助测试）和CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言HDL（ Hardware Description language）完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器。综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合，最终获得我们欲实现功能的描述文件。综合器在工作前，必须给定所要实现的硬件结构参数，它的功能就是将软件描述与给定的硬件结构用一定的方式联系起来。也就是说，综合器是软件描述与硬件实现的一座桥梁。综合过程就是将电路的高级语言描述转换低级的、可与目标器件FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）相映射的网表文件。
EDA技术的应用:电子EDA技术发展迅猛，逐渐在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面：几乎所有理工科(特别是电子信息)类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本原理和基本概念、鳞握用佃L描述系统逻辑的方法、使用扔A工具进行电子电路课程的模拟仿真实验并在作毕业设计时从事简单电子系统的设计，为今后工作打下基础。具有代表性的是全国每两年举办一次大学生电子设计竞赛活动。在科研方面：主要利用电路仿真工具进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品调试；将／FPGA器件的开发应用到仪器设备中。例如在CDMA无线通信系统中，所有移动手机和无线基站都工作在相同的频谱，为区别不同的呼叫，每个手机有一个唯一的码序列，CDMA基站必须能判别这些不同观点的码序列才能分辨出不同的传呼进程；这一判别是通过匹配滤波器的输出显示在输人数据流中探调到特定的码序列；FPGA能提供良好的滤波器设计，而且能完成DSP高级数据处理功能，因而FPGA在现代通信领域方面获得广泛应用。在产品设计与制造方面：从高性能的微处理器、数字信号处理器一直到彩电、音响和电子玩具电路等，EDA技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试，而且也在P哪的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、朋比的制作过程等有重要作用。可以说电子EDA技术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持适配器的功能是将由综合器产生的王表文件配置与指定的目标器件中，产生最终的下载文件，如JED文件。适配所选定的目标器件（FPGA芯片）必须属于在综合器中已指定的目标器件系列[1 ]。
硬件描述语言HDL是相对于一般的计算机软件语言，如：C、PASCAL而言的。HDL语言使用与设计硬件电子系统的计算机语言，它能描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定器件结构特征和电路的行为方式；然后利用综合器和适配器将此程序编程能控制FPGA内部结构，并实现相应逻辑功能的的门级或更底层的结构网表文件或下载文件。目前，就FPGA开发来说，比较常用和流行的HDL主要有ABEL-HDL、AHDL和VHDL自动打铃器硬件采用EP1C3T144C8芯片，具有可靠性高，可实时升级、体积小巧、结构简单、运行速度快的优点。
1.2  基于EDA工具的FPGA开发流程
开发步骤：
　　(1) 文本/原理图编辑与修改。首先利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本或图形方式（原理图或状态图）表达出来。
(2) 编译。完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合做准备。
(3) 综合。这是将软件设计与硬件的可实现性挂钩，是将软件转化为硬件电路的关键步骤。综合后HDL综合器可生成ENIF、XNF或VHDL等格式的网表文件，他们从门级开始描述了最基本的门电路结构。
　　(4) 行为仿真和功能仿真。利用产生的网表文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一致性。（该步骤可以略去）