1、 南 京 理 工 大 学电子课程设计论文作 者 : 王蒙学 号：0704210145学院 (系 ): 电子工程与光电技术学院专 业 : 电子信息工程题 目 : 直接数字频率合成器指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2010 年 6 月姜萍目录摘要与关键词 1一、引言3二、实验目的 3三、实验内容简介 3四、电路设计原理 4五、基本功能子模块设计原理 71、分频模块82、频率控制模块 113、测频模块144、使能电路 85、波形存储器（ROM）模块9六、提高功能各模块设计原理 1、正余弦信号同时输出 2、测频模块33、显示模块 184、多种波形发生模块 2
2、1七、下载 29八、实验结果 30九、实验总结 321、实验中遇到的问题及解决方法 322、实验体会 33十、致谢 34附录一 总电路图 附录三 参考文献 38电子线路课程设计 DDS- 1 -摘要直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesizer）是一种基于全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技。DDS 器件能够保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制。此外，该器件还具有可编程控制的突出优点。本次试验利用 Quarters II 软件对 DDS 系统进行了设计，并下载到实验系统运行。设计中充分考虑了正余弦函数的特点进行了
3、优化设计，提高了计算精度。设计完成后得到了频率和初始相位均可控制的正弦信号。另外增加了频率可调的正弦、余弦、三角波和方波信号，并且针对各个机械开关设计了消颤电路，使其工作更为稳定；还增加了方便输入输出的辅助电路如显示频率控制字、相位控制字及生成波形频率的动态显示电路。关键词直接数字频率合成器 现场可编程逻辑门阵列 Quarters II 原理图AbstractDirect Digital Frequency Synthesizer, which right synthesizes the 电子线路课程设计 DDS- 2 -demanded waveform from the concept o
4、f phase, is absolutely based on digital technique. When the frequency changes or is modulated, DDS keeps the continuity of phase, so it can implement the modulation of frequency, phase and magnitude. Besides, DDS has outstanding advantage of programmable control. On the basis of the theory of direct
5、 digital frequency synthesizer (DDS), a DDS system was successfully designed on the platform of Quarters II and and then downloaded into the laboratorial system.A brand-new algorithm was brought forward considering the symmetry characteristic of sine function, and then applied to optimizing the syst
6、em which result in the improvement on calculation precision. And the consequent system could generate sine signals with arbitrary phase and frequency. Additionally, the system was enhanced by adding the cosine signals, triangle signal module, the sawtooth signal module and the square signal module c
7、oupled with the module eliminating keystroke quiver to make the system more stable. Also the peripheral circuits which is to make the input and output convenient e.g. frequency control number, phase control number and frequency of generated waveform dynamic displaying module are added. Further ,the
8、detailed illustration of each sub-module and the simulating results are all contained in this paper.KeywordsDDS FPGA Quarters II graphic一、引言随着数字技术在仪表和通信系统中的广泛应用，一种从参考频率源生成多电子线路课程设计 DDS- 3 -种频率的数字控制方法应运而生，这种技术被称为直接数字合成(DDS)，DDS 技术是一种从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字频率合成技术。目前使用最广泛的一种 DDS 方式是利用高速存储器作查找表，然后输出已经用数
9、字形式存入的波形。 DDS 技术以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS 被广泛用于信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线通信系统。 本设计在介绍 DDS 工作原理的基础上，运用 EDA 技术，来设计实现一个DDS。二、实验目的通过设计一个直接数字频率合成器, 巩固和复习数字电路知识，初步掌握电子线路设计的基本思路和方法，并能够较为熟练地使用软件 QuartusII 的相应功能，为课程设计等相关实验课程打下理论与实践两方面的基础。同时掌握直接数字频率合成器的原理及设计思想。三、 实验内容简介利用 QuartusII 软件设计一个频率及相位
10、均可控制的具有正弦和余弦输出的直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesizer 简称 DDFS或 DDS） 。设计基本要求：1、利用 QuartusII 软件和 SmartSOPC 实验箱实现 DDS 的设计；2、DDS 中的波形存储器模块用 Altera 公司的 Cyclone 系列 FPGA芯片中的 RAM 实现，RAM 结构配置成 21210 类型；3、具体参数要求：频率控制字 K 取 4 位；基准频率 fc=1MHz,由实验板上的系统时钟分频得到；4、系统具有使能功能。5、利用实验箱上的 D/A 转换器件将 ROM 输出的数字信号转换为模拟信
11、号，能够通过示波器观察到正弦波形；6、通过开关（实验箱上的 Ki）输入 DDS 的频率和相位控制字，电子线路课程设计 DDS- 4 -并能用示波器观察加以验证。设计提高要求:1、通过按键（实验箱上的 Si）输入 DDS 的频率和相位控制字，以扩大频率控制和相位控制的范围；(注意：按键后有消颤电路)2、能够同时输出正余弦两路正交信号；3、在数码管上显示生成的波形频率；4、充分考虑 ROM 结构及正弦函数的特点，进行合理的配置，提高计算精度；5、设计能输出多种波形（三角波、方波等）的多功能波形发生器；6、在 DDS 的基础上，完成 AM 调制。四、电路设计原理DDS 的基本结构图如图 2-1 所示
12、， 图 2-1 DDS 基本原理结构图相位累加器由 N 位加法器和 N 位累加寄存器级联构成。每来一个始终脉冲fc，加法器讲频率控制字与累加器寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使华发去在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟的作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是 DDS 输出的信号频率，用相位累加器输出的数据作
13、为波形存储器（ROM）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内电子线路课程设计 DDS- 5 -的波形抽样值经查表找出，完成相位到幅值的转换。波形存储器的输出经过D/A 转换器，D/A 转换器将数字量形式波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量像是信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，一边输出频谱纯净的信号波形。时钟为 Fc，在时钟驱动下，累加器暑促结果 F 被反馈到累加器输入端 B，则处处频率为 2coNFK当系统输入时钟频率 clk不变时，输出信号频率控制字 K 所决定。所以，要改变 DDS 的输出频率，只要改变频率控制字 K 即可。（1）频率控制字频率预置与调节电路是实现频率控制量输
14、入的结构，使用者可以根据自己的需要自行调节频率控制字。频率控制字的作用是实现可变步长的取样，通过改变频率控制字可以改变取样点个数以及取样精度。（2）相位累加器相位累加器由 N 位加法器与 N 位累加寄存器级联构成。 ，如下图 2-2 所示：图 2-2 累加器基本结构图（3）波形存储器图 2-3 波形存储器原理图波形存储器可进行波形的相位幅值转换，即可通过相位寻址找到相应的幅值（如图 2-3） 。把 0360的争先角度里三成具有 2N个样值的序列，这些样值的幅化量化为 D 位二进制数据表示，并且存储至波形存储器。电子线路课程设计 DDS- 6 -（4）D/A 转换器和低通滤波器各自的作用D/A
15、转换器把已经合成的正弦波的数字量转换成模拟量图 2-4：D/A 转换器的作用低通滤波器滤除生成的阶梯形正弦波中的高频成分，将其变成光滑的正弦波。图 2-5：低通滤波器作用（5）实现各种波形的原理在提高设计中，首先考虑多波形的发生，但为了节省ROM，我们应尽可能的考虑用电路直接实现这些波形。方波只需要两个数，如0和1。并且，二者应各维持一段时间，并且这段时间应该是相等的。考虑地址端，当K1=1,其余为0时，其实它就是一个4096的计数器，随便选取一位较高位，它的0与1的时间都是相同的。所以，我们可以将地址端的高位或较高位输出，就可实现方波。三角波是可以用电路实现的。需要将地址端顺着读，再逆着读一
16、遍，但是，由于地址位数的限制，我们做的地址位数是12位，而ROM中的字长是10位，直接实现是不可能的，所以，需要重新做一个地址位数是10位的加法器，这再后面将详细讲述。电子线路课程设计 DDS- 7 -五、基本功能子模块设计原理频率和相位均可控制的具有正弦和余弦输出的 DDS 核心单元电路示意图如下图 2-6 所示：4位 频 率控 制 字 K相 位 累 加 器12位 相 位 寄 存 器data1.0clkdata1data2 q1.0result1.0 data1data2 result1.0q9.0q9.04位 相 位 控 制 字 P余 弦 ROM正 弦 ROMadr1.0adr1.0q9.0q9.0余 弦 波数 值 输 出 至 D/A（ 1）正 弦 波数 值 输 出 至 D/A（ 2）clkclk基 准 时 钟加 法 器 cf图 2-6 DDS 核心单元电路示意图（一）分频器模块实验中使用到了 1MHz、5KHz、1KHz、20Hz、1Hz 的时钟信号，而实验板提供的脉冲信号为 48MHz，所以对实验板原始信号进行 48 分频得到 1MHz 的信号，对所得的 1MHz 分别进行 200 分频和 1000 分频得到 5KHz 和 1KHz 的信号，再分别对 1KHz 的信号分别进行 1000 和 50 分频得到 1Hz 和 20Hz 的时钟信号。具体电路如下：
