基于NiosII控制的DDS數(shù)字信號發(fā)生器設計說明書1.引言DDS（DirectDigitalSynthesis，直接數(shù)字合成）技術是一種基于相位概念來合成所需波形的頻率合成技術。與傳統(tǒng)的頻率合成方法相比，DDS具有頻率分辨率高、切換速度快、相位連續(xù)等優(yōu)點，在通信、雷達、儀器儀表等領域得到了廣泛應用。本設計采用NiosII軟核處理器來控制DDS數(shù)字信號發(fā)生器，充分利用了FPGA的靈活性和NiosII處理器的可編程性，實現(xiàn)了波形的產生和控制。2.系統(tǒng)總體設計2.1系統(tǒng)功能要求本設計的DDS數(shù)字信號發(fā)生器需要實現(xiàn)以下功能：能夠產生正弦波、方波、三角波等常見波形?？梢酝ㄟ^按鍵或串口通信設置輸出波形的頻率和幅度。具有一定的頻率分辨率和幅度調節(jié)范圍。2.2系統(tǒng)總體架構系統(tǒng)主要由NiosII軟核處理器、DDS波形生成模塊、數(shù)模轉換模塊（DAC）、按鍵輸入模塊和串口通信模塊組成。NiosII處理器作為系統(tǒng)的控制核心，負責接收用戶的輸入指令，根據指令設置DDS模塊的參數(shù)，并通過DAC將數(shù)字信號轉換為模擬信號輸出。3.硬件設計3.1FPGA開發(fā)板選擇本設計選用Altera公司的DE2115開發(fā)板，該開發(fā)板采用CycloneIVEFPGA芯片，具有豐富的資源，包括大量的邏輯單元、嵌入式存儲器、I/O接口等，能夠滿足本設計的需求。3.2DDS波形生成模塊DDS波形生成模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，其基本原理是通過相位累加器和波形查找表來生成所需的波形。相位累加器在時鐘信號的驅動下不斷累加相位增量，根據累加的相位值從波形查找表中讀取相應的幅度值，從而得到數(shù)字波形信號。在FPGA中，可以使用Verilog或VHDL語言來實現(xiàn)DDS模塊。以下是一個簡單的Verilog代碼示例：```verilogmoduledds(inputwireclk,inputwirerst,inputwire[31:0]freq_word,outputreg[7:0]wave_out);reg[31:0]phase_acc;always@(posedgeclkorposedgerst)beginif(rst)beginphase_acc<=32'd0;endelsebeginphase_acc<=phase_acc+freq_word;endend//波形查找表always@()begincase(phase_acc[31:24])8'd0:wave_out=8'd128;8'd1:wave_out=8'd135;//其他波形數(shù)據...default:wave_out=8'd128;endcaseendendmodule```3.3數(shù)模轉換模塊（DAC）本設計采用DAC0832數(shù)模轉換芯片，將DDS模塊輸出的數(shù)字信號轉換為模擬信號。DAC0832是一種8位的DAC芯片，具有單緩沖、雙緩沖和直通三種工作方式。在本設計中，采用單緩沖工作方式，將DDS模塊輸出的8位數(shù)字信號直接輸入到DAC0832的數(shù)據輸入端，通過控制信號將數(shù)據鎖存到DAC寄存器中，從而實現(xiàn)數(shù)模轉換。3.4按鍵輸入模塊按鍵輸入模塊用于用戶設置輸出波形的頻率和幅度。在DE2115開發(fā)板上，有多個按鍵可供使用。可以通過讀取按鍵的狀態(tài)來判斷用戶的操作，例如按下某個按鍵可以增加或減小頻率值。3.5串口通信模塊串口通信模塊用于與上位機進行通信，用戶可以通過串口調試助手發(fā)送指令來設置輸出波形的參數(shù)。在NiosII系統(tǒng)中，可以使用UART控制器來實現(xiàn)串口通信功能。4.軟件設計4.1NiosII系統(tǒng)搭建使用QuartusII和SOPCBuilder工具來搭建NiosII系統(tǒng)。在SOPCBuilder中，添加NiosII處理器、UART控制器、PIO（并行輸入輸出）控制器等組件，并進行相應的參數(shù)配置。然后將生成的系統(tǒng)文件導入到QuartusII中進行編譯和下載。4.2軟件流程設計軟件的主要流程如下：1.初始化系統(tǒng)，包括初始化NiosII處理器、DDS模塊、DAC模塊、按鍵輸入模塊和串口通信模塊。2.進入主循環(huán)，不斷檢測按鍵狀態(tài)和串口接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據。3.如果檢測到按鍵按下，根據按鍵的功能更新DDS模塊的參數(shù)。4.如果串口接收緩沖區(qū)有數(shù)據，解析接收到的指令，根據指令更新DDS模塊的參數(shù)。5.根據更新后的參數(shù)，控制DDS模塊生成相應的波形，并通過DAC輸出模擬信號。4.3代碼實現(xiàn)以下是一個簡單的C語言代碼示例，用于實現(xiàn)上述軟件流程：```cinclude"system.h"include"altera_avalon_pio_regs.h"include"alt_types.h"include"sys/alt_irq.h"include"stdio.h"http://DDS頻率控制字寄存器地址defineDDS_FREQ_WORD_BASE0x00000000//按鍵輸入端口地址defineKEYS_BASEKEY_PIO_BASE//串口通信相關函數(shù)voiduart_init(){//初始化UART控制器}voiduart_send_char(charc){//發(fā)送一個字符到串口}charuart_receive_char(){//從串口接收一個字符return0;}//按鍵檢測函數(shù)alt_u8keys_read(){returnIORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEYS_BASE);}//DDS參數(shù)設置函數(shù)voiddds_set_freq_word(alt_u32freq_word){(volatilealt_u32)DDS_FREQ_WORD_BASE=freq_word;}intmain(){alt_u32freq_word=0;alt_u8keys;charcmd;//初始化系統(tǒng)uart_init();while(1){//檢測按鍵狀態(tài)keys=keys_read();if(keys&0x01){//按鍵0按下，增加頻率freq_word+=100;dds_set_freq_word(freq_word);}elseif(keys&0x02){//按鍵1按下，減小頻率freq_word=100;dds_set_freq_word(freq_word);}//檢測串口接收緩沖區(qū)if(uart_receive_char()!=0){cmd=uart_receive_char();//解析指令if(cmd=='+'&&freq_word<0xFFFFFFFF){freq_word+=100;dds_set_freq_word(freq_word);}elseif(cmd==''&&freq_word>0){freq_word=100;dds_set_freq_word(freq_word);}}}return0;}```5.系統(tǒng)調試與測試5.1硬件調試在硬件調試過程中，首先檢查各個模塊的電源供應是否正常，然后使用示波器觀察DAC輸出的模擬信號波形，檢查波形的頻率、幅度和形狀是否符合要求。如果發(fā)現(xiàn)問題，逐步排查各個模塊的連接和工作狀態(tài)，直到問題解決。5.2軟件調試使用NiosIIIDE進行軟件調試，通過設置斷點、單步執(zhí)行等方式檢查程序的執(zhí)行流程和變量的值。同時，使用串口調試助手發(fā)送指令，觀察系統(tǒng)的響應是否正確。5.3系統(tǒng)測試對系統(tǒng)進行全面的測試，包括測試不同波形的生成、頻率和幅度的調節(jié)等功能。記錄測試結果，分析系統(tǒng)的性能指標，如頻率分辨率、頻率切換速度、幅