1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-I-摘 要波形发生器己成为现代测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，代表了波形发生器的发展方向。随着科技的发展，对波形发生器各方面的要求越来越高。近年来,直接数字频率合成器（DDS）由于其具有频率分辨率高、频率变换速度快、相位可连续变化等特点,在数字通信系统中已被广泛采用而成为现代频率合成技术中的佼佼者。现场可编程门阵列（FPGA ）设计灵活、速度快，在数字专用集成电路的设计中得到了广泛的应用，由于现场可编程门阵列 (FPGA)具有高集成度、高速度、可实现大容量存储器功能的特性，能有效地实现 DDS技术，极大的提高波形发生器的性能，降低生产成本。本
2、文首先介绍了 DDS 波形发生器的研究背景和 DDS 的理论。然后详尽地叙述了用 FPGA 完成 DDS 模块的设计过程，利用 Verilog-HDL 硬件描述语言设计 DDS 波形发生器的各个模块，最后利用 Altera 的设计工具 Quartus II 并结合 Modelsim 软件对波形发生器进行电路设计功能仿真，并对仿真结果进行分析。仿真结果表明，波形发生器可输出正弦波、三角波、方波、锯齿波，并且可通过改变频率控制字和相位控制字的大小来改变输出波形的频率和相位。通过仿真结果表明，本设计达到了预定的要求，并证明了采用软硬件结合，利用FPGA 技术实现 DDS 波形发生器的方法是可行的。关
3、键词：直接数字频率合成 现场可编程门阵列 波形发生器Abstract哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-II-Waveform generator has become a modern field test one of the most widely used general-purpose equipment, on behalf of the waveform generator development. With the development of technology in all aspects of the waveform generators have bec
4、ome increasingly demanding. In recent years, direct digital synthesizers (DDS) has a frequency resolution because of its high-frequency conversion speed, continuous changes in the phase characteristics in digital communication systems have been widely used in modern frequency synthesis technology to
5、 become the leader in . Field-programmable gate array (FPGA) design flexibility, high speed, in digital ASIC design has been widely used, due to field-programmable gate array (FPGA) with high integration, high-speed, large capacity memory can be realized functional characteristics, can effectively a
6、chieve DDS technology, which greatly improve the performance of waveform generator and reduce production costs. This paper introduces the DDS waveform generator of the research background and DDS theory. Then a detailed account of the completion of DDS module with FPGA design process, using Verilog-
7、HDL Hardware Description Language Design DDS waveform generator for each module and finally the use of Alteras Quartus II design tool in conjunction with Modelsim software waveform generator circuit design features simulation, and simulation results analysis. Simulation results show that the wavefor
8、m generator can output sine wave, triangle wave, square wave, sawtooth wave, and can be controlled by changing the frequency and phase control words words to change the size of the output waveform of the frequency and phase. The simulation results show that this designed to meet the scheduled requir
9、ements and proof of use of hardware and software combination of the use of FPGA technology to achieve DDS waveform generator approach is feasible.Keywords：DDS FPGA Waveform Generator目 录摘 要 Abstract第 1 章 绪论 1哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-III-1.1 课题背景 .11.2 国内外波形发生器发展现状21.2.1 波形发生器的发展现状.21.2.2 国内外波形发生器产品比较4
10、1.2.3 研究波形发生器的目的及意义51.3 本文研究主要内容5第 2 章 DDS 波形发生器理论介绍 62.1 频率合成技术 62.1.1 频率合成技术的发展和分类.62.1.2 频率合成技术的技术指标.72.1.3 直接数字频率合成技术的现状及应用82.2 DDS 的原理及性能特点92.2.1 DDS 的基本原理.92.2.2 DDS 的优点112.2.3 DDS 的缺点.12本章小结.12第 3 章 FPGA 及其开发环境简介.133.1 现场可编程门阵列（FPGA）简介.133.2 Quartus II 8.1 集成开发环境简介 153.3 ModelSimHDL 语言仿真软件简介.
11、163.4 Verilog-HDL 语言简介173.5 FPGA 开发流程19本章小结.19第 4 章 DDS 波形发生器的 FPGA 实现204.1 DDS 波形发生器的 FPGA 设计流程204.2 DDS 波形发生器模块划分.224.2.1 DDS 波形发生器顶层模块.224.2.2 DDS 波形发生器测试模块234.2.3 DDS 波形发生器 ROM 模块254.3 DDS 波形发生器功能仿真.25本章小结.27结 论 28致 谢 29哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-IV-参考文献 30附录 1 译文 .31附录 2 英文参考资料 .33哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕
12、业设计（论文）-1-第 1 章 绪论1.1 课题背景直接数字频率合成 (Direct Digital Synthesizer，简称：DDS) 技术是一种新的全数字的频率合成原理，它从相位的角度出发直接合成所需波形。这种技术由美国学者 J.Tiercy，M.Rader 和 B.Gold 于 1971 年首次提出，但限于当时的技术和工艺水平，DDS 技术仅仅在理论上进行了一些探讨，而没有应用到实际中去。近 30 年来，随着超大规模集成、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称： FPGA)、复杂可编程器件(Complex programmable Logi
13、c Device，简称： CPLD)等技术的出现以及对 DDS 理论上的进一步探讨，使得DDS 技术得到了飞速的发展。它已广泛应用于通讯、雷达、遥控测试、电子对抗、以及现代化的仪器仪表工业等许多领域。波形发生器即通常所说的信号发生器是一种常用的信号源，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普遍、最基本也是应用最广泛的的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。不论是在生产还是在科研与教学上，波形发生器都是电子工程师信号仿真试验的最佳工具。随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且
14、操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。而传统波形发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活，已经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台。可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场要求，研究制作高性能的任意波形发生器十分有必要，而且意义重大。基于 FPGA 的 DDS波形发生器，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，因此发展非常迅速，尤其是最近随着现代电子技术的不断发展，其应用更是有了质的飞跃。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）
15、-2-1.2 国内外波形发生器发展现状1.2.1 波形发生器的发展现状波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而波形发生器介与两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法
16、。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的波形发生器、但是 HP 公司推出了型号为 HP770S
17、的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和HP1776A 波形发生软件组成。HP8770A 实际上也只能产生 8 种波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic 公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等。到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的 DDS 芯片，同时也推动了波形发生器的发展，2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M，2005 年的产品N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可
18、达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：(1)过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-3-入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。(2)与总线虚拟仪器系统（VMEe Xtension for Instr
19、umentation，简称：VXI）资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的 VXI 模块。由于 VXI 总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用 VXI 系统测量产生复杂的波形， VXI 的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发 VXI 模块的周期长，而且需要专门的 VXI机箱的配套使用，使得波形发生器 VXI 模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI 模块远远不如台式仪器更为方便。(3)随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式
20、仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。1.2.2 国内外波形发生器产品比较早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz，可以形成 256 点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为 8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近 30 年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。以下给
21、出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。1.2.3 研究波形发生器的目的及意义波形发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号(各种波形) ，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-4-际需要。目前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些
22、PC 仪器插卡，独立的仪器和 VXI 系统的模块很少，并且我国目前在波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。1.3 本文研究主要内容本论文的主要内容如下：1对 DDS 的原理、特点及输出特性进行研究、分析；2根据 DDS 原理和特点，利用 FPGA 开发 DDS 模块3利用 Quartus II 和 ModelSim 软件对 DDS 波形发生器进行功能仿真并对仿真结果进行分析。4. 本次设计要求利用 FPGA 设计 DDS 波形发生器，利用 Quartus II 和Modelsim 软件对波形发生器进行电路设计功能仿真，并对仿真结果进行分析。
23、量化的技术指标：(1)能够输出典型的方波，三角波，正弦波。(2)输出量化位数：8 位(3) 输出频率2MHz哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-5-第 2 章 DDS 波形发生器理论介绍2.1 频率合成技术2.1.1 频率合成技术的发展和分类频率合成就是以一个或几个参考源为基准，产生多个频率的过程。频率合成技术是近代通信系统的重要组成部分，在无线电技术与电子系统的各个领域中得到广泛的应用。各种新型的频率合成器和频率合成方案还在不断涌现，现在己达到比较成熟的阶段。目前频率合成主要有三种方法: 直接模拟合成法 (Direct simulation Frequeneysynthesis)
24、、锁相环合成法 (Phase-locked loop Frequeney synthesis 即 PLL)和直接数字合成法(Direet Digital Frequeney Synthesis)。直接模拟合成法利用倍频(乘法) 、分频 (除法) 、混频(加法与减法 )及滤波，从单一或几个参数频率中产生多个所需频率。直接频率合成中，基准信号通过脉冲形成电路，产生谐波丰富的窄脉冲。该方法频率转换时间短( 小于 IOOns)，用这种方法合成的频率范围将受到限制，更重要的是由于采用大量的倍频，混频，分频，滤波等装置，使得频率合成器不仅带来了庞大的体积和重量，而且输出的谐波，噪声及寄生频率都难以抑制，目
25、前己基本不被采用。锁相环合成法通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算。该方法结构简单、便于集成，且频谱纯度高，目前使用比较广泛，但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于小步进频率合成技术中。1972 年 J.五 emey 和 e.M.几 der 等人首次提出了 DDS 的概念，DDS 或DDFS 是 Direct Digital Frequency synthesis 的简称通常将此视为第三代频率合成技术。它突破了前两种频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，还可以用 DDS 方法产生任意波形，它是把一系列
26、数字量形式的信号通过 DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。目前使用最广泛的一种 DDS 方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速 DAC 产生已经用数字形式存入的正弦波。DDS 作为一种先进的信号产生技术己经广泛应用于各个领域，如信号源仪器，测量分析仪器，通讯，数字信号处理，工业控制，软件无线电等。通过回顾频率合成技术的发展，我们可以总结出各自的性能特点。直接式哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-6-频率合成的输出信号有相干和非相干两种，可达微秒、亚微秒级的频率切换速度直接式频率合成技术的主要特色，相噪低也是它的优点。但直接式频率合成器电路结构复杂，体积大，成本较高，研制调试
27、一般比较困难，由于采用了大量的混频、滤波电路，直接式频综很难抑制因非线性而引入的杂波干扰，因而难以达到较高的杂波抑制度。PLL 频率合成利用了相位反馈控制原理来稳频，在对频率切速度要求不高，但对相噪、杂散有较高要求时，PLL 频率合成仪81 有特殊的优势。PLL 式频综输出的频率分辨率越高时，其频率切换速度就越慢。如果要提高切换速度就必须牺牲分辨率，这是 PLL 的工作机理所致，无法通过性能优化来解决。DDS 的全数字结构给频率合成领域注入了新的活力，但也正是全数字结构使 DDS 有两点不足:输出带宽较窄和杂散抑制较差。由于受数字器件工作速度的限制，特别是数/模转换器 DAC 的限制，使得 D
28、DS工作的时钟频率较低，输出带宽窄。随着电子技术的发展，各类电子系统对信号源的要求越来越高，需要同时满足低相噪、快速变频、高频率分辨率、宽带、小体积、低功耗等指标。由上面分析可知，虽然这三种频率合成方式都可以在某些指标上获得理想的效果，但没有一种方式可以满足所有的技术要求。实际上，由于三种方式各有优劣，完全可以利用优势互补，所以产生了混合式频率合成技术。其中 DDS 与 PLL频率合成混合应用最为广泛，基本原理就是利用 DDS 的输出作为 PLL 的参考输入，来解决频率分辨率和相噪的矛盾。但是 PLL 在频率转换时需要一定的捕获时间，这个捕获时间与环路的类型、参数和跳频的步长有关。所以DDS+
29、PLL 式频综的频率切换时间取决于 PLL。然后通过高速 DAC 产生已经用数字形式存入的正弦波。DDS 作为一种先进的信号产生技术已经广泛应用于各个领域，如信号源仪器，测量分析仪器，通讯，数字信号处理，工业控制，软件无线电等。2.1.2 频率合成技术的技术指标所谓频率合成技术是指以一个或者多个高精确度和高稳定度的频率参考信号源为基准，在某一频段内，综合产生多个工作频率点的技术。频率合成技术是产生频率源的一种现代化手段，在通信、雷达、导航、广播电视、电子侦察、电子干扰与反干扰及现代仪器仪表中有着广泛的应用。依据频率合成原理制成的频率源称为频率合成器。对频率合成器的基本要求是既要合成所需频率，又
30、要保证信号的纯净。综合来看，衡量频率合成器的主要性能指标有：（1）输出频率范围哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-7-指的是输出的最小频率和最大频率之间的变化范围。（2）频率稳定度频率稳定度是指在规定的时间间隔内，频率合成器的实际输出频率与频率标定值偏差的数值，可分为长期、短期和瞬时稳定度。（3）频率分辨率频率合成器的输出频谱通常是不连续的。频率分辨率指两个输出频率之间的最小间隔。（4）频率切换时间频率切换时间指频率合成器输出频率由一个频率点切换到另一个频率点并达到稳定工作所需的时间。该指标与频率合成所采用的技术紧密关联。（5）频谱纯度频率合成技术中常常提到的一个指标就是频谱纯度，
31、频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量。杂散又称寄生信号，分为谐波分量和非谐波分量，主要由频率合成过程中的非线性失真产生，也有频率合成器内外干扰的影响，还与频率合成方式有关；相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上表现为主谱两边连续噪声边带。频谱纯度是衡量频率合成器质量的一个重要指标。（6）调制性能调制性能是指频率合成器的输出是否具有调幅、调频、调相、幅移键控、频移键控、相移键控、扫频、猝发等功能。2.1.3 直接数字频率合成技术的现状及应用DDS 不仅可以产生正弦波同时也可以产生任意波，这是其他频率合成方式所没有的。任意波在各个领域特别是在测量测试领域有着广泛的应用。通过DDS 这种方法产生
32、任意波是一种简单、低成本的方法，通过增加波形点数可以使输出达到很高的精度，这都是其他方法所无法比拟的。自 80 年代以来各国都在研制 DDS 产品，并广泛的应用于各个领域。其中以 AD 公司的产品比较有代表性。如AD7008、AD9850、AD9854、AD9852、AD9858 等。其系统时钟频率从3OMHz 到 300MHz 不等，其中的 AD9858 系统时钟更是达到了 1GHz。这些芯片还具有调制功能。如 AD70OS 可以产生正交调制信号，而 AD9852 也可以产生 FSK、PSK、线性调频以及幅度调制的信号。这些芯片集成度高内部都集成了 D/A 转换器，精度最高可达 12bit。
33、同时都采用了一些优化设计来提高性能。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-8-如这些芯片中大多采用了流水技术，通过流水技术的使用，提高了相位累加器的工作频率，从而使得 DDS 芯片的输出频率可以进一步提高。通过运用流水技术在保证相位累加器工作频率的前提下，相位累加器的字长可以设计得更长，如 AD9852 的相位累加器达到了 48 位。而不是之前型号的 32 位，这样输出信号的频率分辨率大大提高了。同时为了抑止杂散，这些芯片大多采用了随机抖动法提高无杂散动态范围(这是由于 DDS 的周期性，输出杂散频谱往往表现为离散谱线，随机抖动技术使离散谱线均匀化，从而提高输出频谱的无杂散动态范围)
34、。运用 DDS 技术生产的 DDS 任意波型信号发生器是较新的一类信号源，并且已经广泛投入使用。它不仅能产生传统函数信号发生器能产生的正弦波、方波、三角波、锯齿波，还可以产生任意编辑的波形。由于 DDS 的自身特点，还可以很容易的产生一些数字调制信号，如 FSK、PSK 等。一些高端的信号发生器甚至可以产生通讯信号。同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提高。如 HP 公司的 HP33120 可以产生 10mHz 一 15MHz 的正弦波和方波。同时还可以产生10mHz 一 5MHz 的任意波形。任意波形深度 16000 点。采样率 40M，还具备了调制功能，可以产生 AM、FM、
35、FsK 、碎发、扫频等信号。HP 公司的HP33250 可以产生 1uHZ 一 80MHz 的正弦波和方波，产生 luHz 到 25MHz 的任意波形，任意波形深度 64K 点，采样率 200M。同时也具备了AM、FM、FSK、碎发、扫频等功能。BK PRECISION 公司的 407OA 型函数级任意波形发生器正弦波和方波输出频率 DC 一 21.SMHz 频率分辨率10mHz。同时还具有 AM、FM、PM 、SSB 、BPSK、FSK、碎发、 DTMFGeneration 和 DTMFDeteetion 的功能。除了在仪器中的应用外，DDS 在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。通过 D
36、DS 可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如 :频移键控(FSK)、二进制相移键控(BPsK) 和正交相移键控(QPSK)。DDS 可以产生两路相位严格正交的信号，在正交调制和解调中的到广泛应用，是一中很好的本振源。在雷达中通过 DDS 和 PLL 相结合可以产生毫米波线性调频信号，DDS 移相精度高、频率捷变快和发射波形可捷变等优点在雷达系统中也可以得到很好的发挥。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-9-2.2 DDS 的原理及性能特点2.2.1 DDS 的基本原理直接数字式频率合成（DDS）技术是近年来随着数字集成电路和微电子技术的发展而迅速发展起来的一种新的频率合成技术
37、。DDS 一般由相位累加器、波形存储器、数模转换器及低通滤波器组成,结构框图如下图 2-1 所示。其基本原理就是将波形数据先存储起来，然后在频率控制字 K 的作用下，通过相位累加器从存储器中读出波形数据，最后经过数/模转换和低通滤波后输出频率合成。这种频率合成方法可以获得高精度频率和相位分辨率、快速频率转换时间和低相位噪声的频率信号，而且结构简单集成度高。相位累加器 D/A转换器波形存储器 低通滤波器频率控制字 K基准时钟 CLK图 2-1： DDS 基本原理框图相位累加器由 N 位加法器与 N 位累加寄存器级联构成，结构如图 2-2 所示。每来一个时钟脉冲，加法器就将频率控制字 K 与累加器
38、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，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟脉冲作用下，不断地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，相位累加器溢出的频率就是 DDS 的输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值的转换。由于 DDS
39、的模块化结构，其输出波形由波形查找表中的数据来决定，因此，N哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-10-只需改变查找表中的数据，就能很方便地利用 DDS 产生正弦波、方波、三角波等任意波形。N 位累加器 N 位寄存器N频率控制字 K图 2-2 DDS 相位累加器2.2.2 DDS 的优点(l)输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为 50%fs(理论值 )，但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号的散杂抑制，实际输出带宽仍可达到 40%fs。(2)频率转换时间短DDS 是一个开环系统，无任何反馈环节这种结构使得 DDS 的频率转换时间极短。事实上，在 DDS 频率控制字改变之后，需
40、经过一个时钟周期后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS 的转换时间可达纳微秒级数量级，比使用其他的频率合成方法都要短数个数量级。(3)频率分辨率高若时钟 fs 的频率不变，DDS 的频率分辨率就是由相位累加器的位数 N 决定。只要增加相位累加器的位数 N 即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS 的分辨率在 1Hz 数量级，许多小于 1mHz 甚至更小。(4)相位变化连续改变 DDS 输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率
41、发生了突变，因而保持了信号相位的连续。(5)输出波形的灵活性只要在 DDS 内部加上相应控制如调频控制 FM，调相控制 PM 和调幅控制 AM即可以方便灵活实现调频，调频和调幅等功能，产生 FSK，PSK，ASK ，MSK等信号。另外，只要在 DDS 的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-11-种波形的输出，如三角波，锯齿波和矩形波甚至是任意波形。当 DDS 的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，即可得到正交的两路输出。(6)其他优点由于 DDS 中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低，体积小，重量轻，可靠性高，且易于程控，使用相当
42、灵活，因此性价比极高。2.2.3 DDS 的缺点(l)输出带宽范围有限由于 DDS 内部 DAC 和波形存储器 (ROM)的工作速度有限，使得 DDS 输出的最高频率有限。目前市场上采用 CMOS，TTL ，EcL，工艺制作的 DDS 芯片，工作频率一般在几十 MHz 至 400MHz 左右。采用 GaAS 工艺的 DDS 芯片工作频率可达 2GHz 以上。(2)输出散杂大由于 DDS 采用全数字结构，不可避免地引入了散杂。其来源主要由三个：相位累加器相位舍入误差造成的散杂；幅度量化误差造成的散杂和 DAC 非理想特性造成的散杂。本章小结本章首先介绍了频率合成技术的发展和分类以及频率合成技术的
43、技术指标，接着介绍了直接数字频率合成技术的现状及应用，紧接着详细地介绍了 DDS 的工作原理和各主要组成部分的功能与基本结构。最后介绍了 DDS 的优缺点。哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-12-第 3 章 FPGA 及其开发环境简介3.1 现场可编程门阵列（FPGA）简介FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 的使用非常灵
44、活，同一片FPGA 通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA 在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低，FPGA 还将进入更多的应用领域。FPGA 的基本组成部分有可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式 RAM 块、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元等。（1）可编程输入输出单元可编程输入输出单元（IOE）是芯片和外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配需要。为了使 FPGA 有更灵活的应用，目前大多数 FPGA 的 I/O 单元被设计成可编程模式，通过软件的灵活配置，可以适配不同的电气
45、标准和物理特性，调整匹配阻抗特性、上下拉电阻、输出驱动电流大小等。一般来说，FPGA 支持的常见电气标准有LVTTL、LVCOMS、SSTL、HSTL、LVDS、LVPECL 和 PCI 等。（2）基本可编程逻辑单元基本可编程逻辑单元（LE）是可编程逻辑器件的主体，可以根据设计灵活地改变其内部连接与配置，完成不同的逻辑功能。每个 LE 包含了一个 4 输入的查找表（LUT） 、一个带有同步使能的可编程触发器、一个进位链和一个级联链。查找表完成纯组合逻辑功能；寄存器配置相当灵活，可配置为带同/异步复位/置位、时钟使能的触发器或者配置为锁存器。（3）嵌入式 RAM 块大多数 FPGA 都有内嵌的块
46、 RAM（Block RAM） 。FPGA 内部嵌入可编程 RAM 模块，大大地拓展了 FPGA 的应用范围和使用灵活性。在本文中实现的过程中，块 RAM哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-13-是设计不可或缺的资源，内部 RAM 的使用节省了片外器件，从而节省了系统成本。FPGA 内嵌的块 RAM 一般可以灵活配置为单端口 RAM（Single Port RAM） 、双端口 RAM（Double Ports RAM） 、伪双端口 RAM（Pseudo DPRAM） 、CAM（Content Adderssable Memory） 、FIFO（First In First Out）
47、等常用存储结构。（4）布线资源布线资源连通 FPGA 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA 内部有着非常丰富的布线资源，这些布线资源根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而不同的等级，有一些是全局性的专用布线资源，用以完成器件内部的全局时钟和全局复位/置位的布线；一些叫做长线资源，用以完成器件 Bank 间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号的布线，也称为 Low Skew 信号的布线；还有一些叫做短线资源，用以完成基本逻辑单元之间的逻辑互联与布线。（5）底层嵌入功能单元这里所说的底层嵌入功能单元指的是那些通用程度较高的嵌入式功能模块，比如 PLL、DS
48、P、CPU 等，随着 FPGA 的发展，这些功能模块被越来越多的嵌入到FPGA 内部，以满足不同场合的要求。在本设计中，选用的 FPGA 是 Altera 公司的 Cyclone II 系列的 EP2C5Q208。Cyclone II 是 Altera 公司 Cyclone 系列的第二代产品，由于采用了低 K 介质的 90nm 工艺制造，从而将产品成本降低30%，同时将逻辑密度提升 3 倍。另外，CycloneII 系列的 FPGA 采用了 1.2V 的内核电压，将功耗降到了非常低的范围。EP2C5 提供的硬件资源包括了：4608个可编程逻辑单元；26 个 M4K RAM 块，总比特数达 119,808bits，可以配置成真正双端口模式，最高工频率为 260MHz；13 个 18 位18 位的嵌入式硬件乘法器，每个乘法器可配置成两个 9 位9 位的乘法器，硬件乘法器的最高工作频率可达 250MHz；2 个 PLL；最多用户管脚数为 142 个，这些管脚可配置成 58 对差分通道。这些丰富的硬件资源为我们实现 DDS提供了便利。FPGA 的基本特点主要有： (1)采用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。(2)FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC
