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基于fpga的DDS信号发生器的设计.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.25M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    中文摘要
    English Abstract
    1 引言
    2 DDS&FPGA简介与原理
    2.1 DDS基本原理
    2.2 DDS芯片的主要组成部分
    2.2.1 频率预制与调节电路
    2.2.2 累加器
    2.2.3 控制相位加法器
    2.2.4 控制波形加法器
    2.2.5 波形存储器
    2.2.6 D/A转换器
    2.2.7 低通滤波器
    2.3 DDS的主要特点
    2.4 FPGA介绍
    3 设计软件与语言
    3.1 涉及到的软件及设计语言
    3.2 QuartursⅡ简介
    3.3 Matlab简介
    3.4 VHDL简介
    4 课题的设计与仿真
    4.1 设计方案的选择
    4.2 课题的设计与仿真
    4.2.1 各部件的设计及仿真
    4.2.2顶层部件的设计
    4.3 仿真结果分析
    5 毕业设计小节
    谢辞
    参考文献
    2.3 2.4 中文摘要............................................................................................................................................ 2 English Abstract............................................................................................................................3 1 引言 .............................................................................................................................................. 4 DDS&FPGA 简介与原理 .................................................................................................................6 2 DDS 基本原理...................................................................................................................6 2.1 DDS 芯片的主要组成部分...............................................................................................6 2.2 2.2.1 频率预制与调节电路 ..........................................................................................6 2.2.2 累加器..................................................................................................................7 2.2.3 控制相位加法器 ..................................................................................................7 2.2.4 控制波形加法器 ..................................................................................................7 2.2.5 波形存储器 ..........................................................................................................7 D/A 转换器 ...........................................................................................................8 2.2.6 2.2.7 低通滤波器 ..........................................................................................................8 DDS 的主要特点 ...............................................................................................................8 FPGA 介绍 .......................................................................................................................10 3 设计软件与语言........................................................................................................................ 12 3.1 涉及到的软件及设计语言 ............................................................................................12 QuartursⅡ简介..........................................................................................................12 3.2 Matlab 简介 .................................................................................................................12 3.3 VHDL 简介 .......................................................................................................................14 3.4 4 课题的设计与仿真....................................................................................................................16 4.1 设计方案的选择 ..........................................................................................................16 4.2 课题的设计与仿真........................................................................................................20 4.2.1 各部件的设计及仿真 ........................................................................................20 4.2.2 顶层部件的设计 ...................................................................................................27 4.3 仿真结果分析 ................................................................................................................29 5 毕业设计小节 ............................................................................................................................ 31 谢辞.................................................................................................................................................. 31 参考文献.......................................................................................................................................... 32
    中文摘要 摘要：信号源作为现代电子产品中的重要一员，必须满足高精度、高速度、高 分辨率等要求。正是基于这几点，本文研究了基于 DDS 技术的智能信号源。 采用 DDS 方案有很多突出的优点：高频率分辨率；高频率切换速度；切换 时相位能保持连续；超宽的频率范围；能实现各种调制波和任意波形的产 生；易于实现全数字化的设计。本文主要研究以 DDS 方式实现基于 FPGA 的 信号发生器，操作界面友好，可产生普通波形（正弦波、方波等）、各种调 制波、脉冲串，以及多次谐波的叠加，可产生两路相互独立的不同波形， 或产生两路有一定相位差的同种波形，且信号源产生的波形各项指标都比 较高，优于其他传统方式实现的信号源。由于此种信号源是基于 FPGA，所 以可以在不修改硬件结构的情况下，实现信号源功能的扩充，从而节省了 成本。 关键字：直接数字频率合成；DDS;FPGA;线性调频;信号发生器；
    English Abstract Abstract：The signal source have to satisfy high accuracy, high speed & high resolution etc as one important member in the modern electronics product. according to this, this discourse studied a intelligence signal source based on the DDS. The project Adopting the DDS has a lot of outstanding advantages: High frequency resolution; high frequency switching speed; phase can keep consecution on switching; Extraordinary wide frequency scope; It Can carry out various random wave; Be easy to carry out the completely digital design. This discourse mainly studies the signal occurrence device with the DDS realization and based on the FPGA, the operation interface amity, can carry out common wave (sine wave、square wave...etc.)、various making wave、the pulse string, and wave added multi-ply harmonic, It can carry out two independent different wave, or two wave contain a phase gap, and the various wave index is all higher than the signal source achieved other traditional ways .Because this kind signal source is based on FPGA, so we can achieve the signal source function to expand under the situation that we don’t modify the hardware structure. Thus we saved cost. Keywords: Direct Digital Synthesizer；DDS；FPGA; linearity Frequency Modulation; signal occurrence device .
    1 引言 直接数字频率合成技术（Direct-Digital Synthesis）, 简称DDS 是九十年 代迅速发展起来的一种有广泛应用前景的频率综合技术它可用于雷达通讯电子 侦察和对抗以及高性能测量仪器等各个方面。 信号源是雷达、通讯、电子对抗等电子系统实现高性能指标的关键，很多现 代电子设备和系统的功能的实现都直接依赖于所用信号源的性能，因此信号源被 人们喻为众多电子系统的“心脏”，而当今高性能的信号源均通过频率合成技术 来实现的。 频率合成器是决定电子系统的关键设备。传统的频率合成器有直接式（DAS） 和锁相式（PLL）两种。1971年美国学者Tierney等提出了直接数字式频率合成器 （DDS）。这是一种基于波形存储的全新的频率合成技术。线性调频DDS芯片的出 现对新一代雷达波形的产生及本振信号的生成产生了巨大的影响，这类雷达信号 已能满足目标探测、目标跟踪及目标识别等不同的需要。同时，将DDS用于雷达 系统对降低目标的模糊度、减少虚警概率和提高雷达电磁兼容能力有极大的帮 助。 与传统的频率合成技术相比，DDS的性能优点主要体现在：超高速的频率转 换时间（可做到小于0.1μs）；极高的频率分辨率（可达到MHz级）；变相相位连 续；可实现极理想的正交输出；容易实现Chirp（线性调频）和其他各种频率、 相位、幅值调制；可以合成任意波形；DDS 输出信号的三个参量:频率、相位和 幅度都由数据控制字来决定，即通过改变相位累加器输入端的频率控制字，来实 现频率控制；改变相位累加器输出端的相位，来实现相位控制；改变ROM 输出端 的幅度，来实现幅度控制；从而合成各种调幅、调频、调相波形以满足日益增长 的带宽信号形式的需求。全数字化控制简单容易；集成度高，容易实现系列化、 模块化、小型化和工程化。 DDS有上述众多突出优点使其被认为是继PLL之后的第二次频率合成技术革 命。目前已成为宇航、雷达、通讯、电子战等系统中信号源的首选，在线性调频、 扩频和跳频系统、多普勒响应模拟等领域得到了广泛的应用，在电子测量仪表等 领域也有广阔的应用前景。 但是同现在大量应用的基于锁相环（PLL）的频率合成相比，DDS的两个主要
    缺点严重限制了DDS更广泛的应用。一是输出带宽窄，受限于器件的工作时钟频 率。二是DDS输出频谱杂散较大。 在本次设计中，我们将设计出DDS基于FPGA芯片的解决方案,并对其进行仿 真，得出相关结果。
    2 DDS&FPGA 简介与原理 2.1 DDS 基本原理 其原理图如图 1： 累加器 加法器 加法器 ROM D/A LFP 频率控制字 K 相位控制字 P 波形控制字 W 参考信号 fc 图 2.1 DDS 原理图 DDS主要由相位累加器、 幅度变换器、D/A转换器DAC 和低通滤波器LPF等组 成其核心部件是相位累加器如图1 所示。在系统时钟的作用下由相位累加器完成 频率累加并将每次累加结果作为取样地址周期性地扫描正弦波的波形存储器并 通过D/A 转换器把结果变换成电压波形。 相位累加器在参考信号时钟fc的控制下以步长K（频率控制字）作累加，输 出N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加后作为波形ROM的地址，对波形 ROM进行寻址，波形ROM输出D位的幅度码Sn经D/A转换器变成电压波形，再经过低 通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形 ROM中存放的幅度码，因此用DDS可以产生任意的波形。 2.2 DDS 芯片的主要组成部分 2.2.1 频率预制与调节电路 K被称为频率控制字，也叫相位增量。DDS的方程为： f 0  cKf N 2/ （2-1） f0 是输出频率，fc 为时钟频率。当 K 足够大时，DDS 输出最低频率（也即
    频率分辨率）为 cf fc/2，也就是 K 的最大值为 N 2/ ，而 DDS 最大输出频率由 Nyquist 采样定理决定，即 12 N 。因此，只要 N 足够大，DDS 可以得到足够细 的频率间隔。要改变 DDS 的输出频率，只要改变频率控制字即可。 2.2.2 累加器 累加器由N位加法器和N位寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fc，加法器将 频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器 的数据输入端。寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈到加 法器的输入端；以使加法器在下一个时钟作用下继续与频率控制字进行相加。这 样，相位累加器在时钟的作用下，进行相位累加。当相位累加器累加满量时就会 产生溢出，完成一个周期性的动作。 其原理图如下： 加法器 寄存器 频率控制字 fc 图 2.2 累加器原理图 2.2.3 控制相位加法器 通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数。令相位加法器的字长 为N，当相位控制字P由0跃变到P（P≠0）时，波形存储器的输入为相位累加器的 输出与相位控制字P之和，因而其输出的幅度编码相位会增加P/（2的n次方）， 从而使最后输出的波形产生相移。 2.2.4 控制波形加法器 通过改变波形控制字W可以控制输出信号的波形。由于波形存储器中的不同 波形是分块存储的，所以当波形控制字改变时，波形存储器的输入为改变相位后 的地址与波形控制字之和，从而使最后输出的波形产生相移。 2.2.5 波形存储器 用相位累加器输出的数据作为波形存储器的取样地址，进行波形的相位－幅
    值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形的抽样幅值。N位的寻址ROM相当于 把0度到360度的正弦信号离散成具有2的N次方个样值的序列，若波形ROM有D位数 据位，则2的N次方个样值的幅值以D位二进制数值固化在ROM中，按照地址的不同 可以输出相应相位信号的幅值。 其演示图如下： 相位量化序列 波形幅度量化序列 ROM （波形存储器） （地址） 数据 图 2.3 ROM 演示图 2.2.6 D/A 转换器 D/A转换器的功能就是把合成波的数字量转换成模拟量。需要注意的是，频 率合成器对D/A转换器的分辨率有一定的要求，D/A转换器的分辨率越高，合成的 波台阶数就越多，输出的波形的精度也就越高。 2.2.7 低通滤波器 对D/A输出的波进行频谱分析，其中除主频外还存在分布在fc、2fc……两边 ±fo处的非谐波分量。因此为取出主频fo，必需在D/A的输出端接入截止频率为 fc/2的低通滤波器。 2.3 DDS 的主要特点 由于DDS采用了不同于传统频率合成方法的全数字结构，因而具有许多直接 式频率合成技术和间接式频率合成技术难以实现的特点。ＤＤＳ 频率合成技术 的特点主要如下： (1)极高的频率分辨率： 这是DDS最主要的优点之一，由式
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