直接数字频率合成技术的FPGA实现.doc-资料库

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成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）直接数字频率合成技术的 FPGA 实现专姓业：通信工程名：谢小龙学号： 200910315116 指导教师：杨洪军摘要：直接数字频率合成（DDS）技术是从相位概念出发，直接合成所需波形的一种新的频率合成技术，发展前景广阔，是数字通信系统的重要组成部分。本设计首先介绍了直接数字频率合成（DDS）的工作原理、基本结构，然后详细介绍了 EDA 技术和开发软件，提出了符合结构的 DDS 设计方案。最后利用 EDA 技术设计了一种能产生 4 种波形的信号发生器。此设计基于可编程逻辑器件 FPGA，采用 Quartus Ⅱ开发平台，由 VHDL 编程实现。关键词：直接数字频率合成；FPGA；VHDL；QuartusⅡ I

成都学院（成都大学）学士学位论文（设计） Realization of DDS Technology Based on FPGA Specialty：Communication Engineering Student： Xie Xiaolong Student Number：200910315116 Supervisor：Yang Hongjun Abstract：Direct digital frequency synthesis (DDS) technology is direct synthesis of the needed waveform based on phase. DDS is a new kind of frequency synthesis technology. DDS is an important part of digital communication system and has a wonderful prospect. First the working principle and basic structure of DDS are introduced. Secondly the EDA technology and software development are introduced in detail. And then the design scheme of DDS is proposed. At last a signal generator which can produces four kinds of waveforms based on the EDA technology is designed. This design is based on programmable logic device FPGA, using the Quartus II development platform, and programmed using the VHDL language. Key words：Direct Digital Frequency Synthesis; FPGA; VHDL; Quartus II II

成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）目录第 1 章绪论 ...............................................................1 1.1 课题的背景和意义 .................................................. 1 1.2 本论文完成的工作 .................................................. 2 1.3 章节的安排 ........................................................ 2 第 2 章 DDS 原理 .......................................................... 3 1.1 DDS 的基本原理分析 .................................................3 2.2 DDS 的输出频率和分辨率 .............................................5 2.3 DDS 的性能分析 .....................................................6 第 3 章基于 VHDL 的 DDS 设计 ................................................8 3.1 硬件描述语言 VHDL ..................................................8 3.1.1 VHDL 的简介 ..................................................8 3.1.2 VHDL 语言的特点 .............................................9 3.2 QUARTUS II 工具软件 ................................................9 3.3 累加器的设计 ..................................................... 12 3.4 波形 ROM ..........................................................15 3.5 辅助模块 ......................................................... 22 3.5.1 输入辅助模块本 ............................................. 22 3.5.2 分频模块 ................................................... 24 3.6 DDS 系统级实现 ....................................................25 3.6.1 DDS 的顶层程序 ..............................................25 3.6.2 DDS 的总体仿真： ............................................28 第 4 章功能版电路设计 ....................................................31 4.1 DA 转换电路 .......................................................31 4.2 拨码开关输入电路 ................................................. 34 4.3 电源电路 ......................................................... 34 4.4 硬件实物图 ....................................................... 35 III

成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）第 5 章系统调试 ..........................................................36 5.1 FPGA 简介 ....................................................... 36 5.2 FPGA 的结构 ..................................................... 36 5. 3 FPGA 的开发流程 ................................................ 37 5. 4 EP2C5T144C8-FPGA 开发板简介 .................................... 38 5.5 DDS 的下载调试 ................................................... 40 第 6 章结束语 ............................................................46 致谢 .....................................................................47 参考文献 .................................................................48 附录 1 开发板实物图 ......................................................49 附录 2 DDS 系统内部结构图 ................................................ 50 附录 3 各种波形的.mif 文件部分内容 ....................................... 51 IV

成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）第 1 章绪论 1.1 课题的背景和意义随着电子技术的发展，很多应用领域对信号频率的稳定性要求越来越高，往往需要频率、幅度都能由计算机自动调节的信号源。采用诸如 MAX038 信号发生器芯片外加电阻及切换开关等器件虽然也能调节频率和幅度，但这种调节是离散的，且电路复杂，使用不方便。而采用直接数字合成芯片 DDS 及外加 D/A 转换芯片构成的可控信号源，可产生正弦波、调频波、调幅波及方波等，并且其信号的频率和幅度可由微机来精确控制，调节非常方便。另外 21 世纪到来后，人类正在跨入信息时代。现代通信系统的发展方向是功能更强，体积更小，速度更快，功耗更低。而大规模可编程器件 CPLD/FPGA 在集成度、功能和速度上的优势正好满足通信系统的这些要求。所以今天无论是民用的移动电话、程控交换机、集群电台、广播发射机和调制解调器,还是军用的雷达设备、图形处理仪器、遥控遥测设备、加密通信机中,都已广泛地使用大规模可编程器件。由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点，数字技术和数字集成电路的使用已经成为构成现代电子系统的重要标志。电子系统的集成化，不仅可使系统的体积小、重量轻且功耗低，更重要的是可使系统的可靠性大大提高。因此自集成电路问世以来，集成规模便以 10 倍 /6 年的速度增长。从 20 世纪 90 年代初以来，电子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化。为满足个人电脑、无绳电话和高速数据传输设备的发展需求，电子厂商们越加迫切地追求电子产品的高功能、优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸。为达到此目标，必须采用少量的 IC 器件使面积尽可能小。直接数字频率合成技术（DDS)是从相位概念出发，直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。DDS 具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点，而可编程门阵列（FPGA）具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点，因此可以快速地完成复杂的数字系统。由于模拟调相方法有生产性差、调试不方便、调制度控制不精确等缺点，因此采用数字方法实现各种模拟调制也越来越普遍。现在许多 DDS 芯片都直接提供了实现多种数字调制的功能，实现起来比较简单。本设计采用 FPGA 实现 DDS 功能，产生频率和相位可调的正弦波信号的方法。基本满足了现代社会各个领域的应用。当然随 1

成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）着社会和科学技术的发展，我们需要不断地更新和创造新的技术来满足我们的需求。 1.2 本论文完成的工作本课题主要研究直接数字频率合成技术（DDS）的设计与实现方法，拟首先分析 DDS 的基本工作原理及性能特点，介绍 EDA 技术。然后基于 VHDL 语言实现 DDS，并进行功能与时序的仿真验证。同时设计制作 DDS 相关的外围电路，最后将程序下载至 FPGA 芯片中，结合外围电路进行系统调试，实现 DDS。 1.3 章节的安排本论文主要内容由 6 章组成。第 1 章主要介绍 DDS 的背景及其意义；第 2 章分析 DDS 的基本原理及其特性；第 3 章介绍利用 VHDL 语言在 Quartus II 平台上进行 DDS 的设计；第 4 章完成 DDS 功能板的制作；第 5 章对 DDS 在硬件上进行调试；第 6 章对设计进行总结并作出展望。 2

成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）第 2 章 DDS 原理直接数字频率合成是采用数字化技术，通过控制相位的变化速度，直接产生各种不同频率、不同波形信号的一种频率合成方法。DDS 问世之初，构成 DDS 的元器件的速度限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了 DDS 的发展与实际应用。随着近几年超高速数字电路的发展以及对 DDS 的深入研究，DDS 的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。近年来随着频率合成技术的发展，DDS 已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子测量以及现代化的仪器仪表工业等领域。 1.1 DDS 的基本原理分析 DDS 的基本结构如图 2-1 所示，它主要由相位累加器、正弦 ROM 表、D/A 转换器和低通滤波器构成。图 2-1 DDS 工作流程图 DDS 工作时，在时钟脉冲 cf 的控制下对频率控制字 K 用累加器进行处理以得到相 3

成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）应的相位码，然后由相位码寻址波形存储器进行相位码―幅度编码变换，再经过 D/A 数模变换器得到相应的阶梯波，最后经过低通滤波器对阶梯波进行平滑处理即可得到由频率控制字 K 决定的频率可调的输出波形。参考频率源一般是高稳定的晶体振荡器，用于 DDS 中各部件的同步工作，因此 DDS 输出的合成信号频率稳定度与晶体振荡器是相同的。在标准频率参考源的控制下，频率控制字 K 可决定相应的相位增量，相位累加器则以步长 K 进行线性累加，相位累加器积满时就会产生一次溢出，从而完成一个周期性动作，这个动作周期即是 DDS 合成信号的一个周期。通常 N 位相位累加器的最小值为 0，最大值为 2N − 1 ，故最后输出信号的频率为 f o Kf c / 2N ，频率分辨率的大小为 f   f c / 2N 。实际运用中，根据实际需要所计算出的 K 很难为整数，因此不可避免地会存在频率误差。如将计算出来的 K 的小数部分舍去，那么最终输出信号的频率误差不超过频率分辨率 f ；如果将 K 的小数部分四舍五入，则频率误差不会超过 0.5 f 。 DDS 技术可以理解为数字信号处理中信号综合的硬件实现问题，即给定信号幅度、频率、相位参数，产生所需要的信号波形，也可以认为是给定输入时钟和频率控制字 K，输出一一对应的正弦信号。由于 DDS 采用了不同于传统频率合成方法的全数字结构，所以它具有直接模拟频率合成和间接频率合成方法所不具备的一些优点。下面用数学公式来分析 DDS 的原理：一个单频率信号表示如下：   u t  U sin(2 f t 0   0 )   2 1 只要它的幅度U 和最初相位 0 固定不变，那么它的频谱就是一条位于 0f 的谱线。可令 1U  ， 0 0  ，这是为了简化分析，不会影响研究频率特性。即：   u t  sin(2  f t 0 )  sin    t (2 2) 如果对式 (2 2) 的信号进行周期为 cT 的采样，此时采样频率为 cf ，那么这样所得到的离散的序列为：  u n   sin(2 )c f nT 0 离散序列的相位可以表示为：    n  2  f nT 0 c     n 4   n  0,1,2... n  0,1,2...   (2 3) (2 4)

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