1、四川理工学院本科毕业设计（论文） IFPGA 方面 DDS 信号源设计( 附程序电路图)摘 要本设计结合了EDA技术和直接数字频率合成（DDS）技术。DDS技术则是最为先进的频率合成技术，文中介绍EDA技术相关知识，同时阐述了DDS技术的工作原理、电路结构，及设计的思路和实现方法。关键词：现场可编程门阵列； 直接数字频率合成； 正弦信号发生器彭巨龙：基于 DDS 技术信号源的设计IIABSTRACTThe design that combines EDA technology and Direct Digital Synthesis (DDS) technology. EDA technolo
2、gy is the design of modern electronic technology at the core, DDS technology is the most advanced frequency synthesizer technology ,The paper introduced the EDA technology-related knowledge, and elaborated on the DDS technology principle, circuit structure, and design ideas and methods.Keywords：FPGA
3、 ；Direct Digital Synthesis；EDA四川理工学院本科毕业设计（论文）四川理工学院本科毕业设计（论文）目录摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 引 言 .1第 2 章 设计要求和方案论证 .22.1 设计要求 .22.2 方案确定 .2第 3 章 DDS 基本原理 .33.1 频率合成技术概述 .33.2 直接数字频率合成技术（DDS）基本原理 .43.2.1 直接数字频率合成的基本结构 .43.3 DDS 的技术特点 .63.3.1 DDS 的优点 .63.3.2 DDS 的缺点 .63.3.3 DDS 性能分析 .7第 4 章 EDA 技术 .94.1 ED
4、A 技术及其发展 .94.2 硬件描述语言 VHDL .104.2.1 VHDL 简介 .104.2.2 VHDL 的主要优点 .114.3 现场可编程逻辑（FPGA）器件 .114.3.1 引言 .114.3.2 FPGA 的组成及其应用特点 .124.3.3 Altera 的 FLEX10 K 器件 .124.4 EDA 工具 MAXPLUS .14第 5 章 基于 FPGA 的 DDS 信号源设计 .165.1 总体设计框图 .165.2 主模块软件设计 .165.2.1 相位累加器的设计 .165.2.2 波形 ROM 的设计 .185.2.3 频率控制模块的设计 .195.3 外围硬
5、件设计 .225.3.1 显示模块 .225.3.2 D/A 转换器 .245.3.3 滤波及放大电路 .27第 6 章 结束语 .29致 谢 .30参考文献 .31彭巨龙：基于 DDS 技术信号源的设计附录 A 信号发生器顶层电路图 .32附录 B 源程序清单 .33附录 C 总体电路图 .50四川理工学院本科毕业设计（论文）1第 1 章 引 言直接数字频率合成(Digital Direct Frequency Synthesis)是一种比较新颖的频率合成方法。这个理论早在 20 世纪 70 年代就被提出，它的基本原理就是利用采样定理，通过查表法产生波形。由于硬件技术的限制，DDS 技术当时
6、没能得到广泛应用。但是随着大规模集成电路的飞速发展，DDS 技术的优越性已逐步显现出来。今天 DDS 技术凭借其优越的性能已成为现代频率合成技术中的佼佼者，广泛用于接收机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线电通信系统。不少学者认为，DDS 是产生信号和频率的一种理想方法，发展前景十分广阔。基于 FPGA 的 DDS 模型是在 EDA 技术逐步完善的今天才得以建立起来的。EDA 技术依靠功能强大的电子计算机，在 EDA 工具软件平台上，对以硬件描述语言 HDL 为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、简化、分割、综合、优化和仿真，直至下载到可编程逻辑器件
7、CPLD/FPGA 或专用集成电路 ASIC 芯片中，实现即定的电子电路设计功能。EDA 技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和 EDA 软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本彭巨龙：基于 DDS 技术信号源的设计2第 2 章 设计要求和方案论证2.1 设计要求设计一个 DDS 信号发生器，基本要求如下：1）能输出正弦波2）输出频率范围：1KHz-10MHz ，频率步进为 100HZ3）频率稳定度优于 10 4，频率可预置。4）正弦信号负载输出电压峰峰值大于 1V2.2 方案确定方案一：采用锁相环合成方法。采用该方案设计输出信号的
8、频率可达到超高频甚至微波段，且输出信号频谱纯度较高。由于锁相环技术是一个不间断的负反馈控制过程，所以该系统输出的正弦信号频率可以维持在一个稳定状态，频率稳定度高。但由于它是采取闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也比较长。所以锁相环频率合成器要想同时得到较高的频率分辨率和转换率非常困难，频率转换一般要几毫秒的时间，同时频率间隔也不可能做得很小。方案二：采用直接数字合成器（DDS） ，可用硬件或软件实现。即用累加器按频率要求对相应的相位增量进行累加，再以累加相位值作为地址码，取存放于 ROM 中的波形数据，经 D/A 转换，滤波即得到所需波形。以 EDA 技术为基础，用 FPGA
9、 实现 DDS 模型的设计。电路的规模大小和总线宽度可以由设计者根据自己的需要而设定可将波形数据存入 FPGA 的 ROM 中。同时外部控制逻辑单元也可在 FPGA 中实现。方法简单，易于程控，便于集成。用该方法设计产生的信号频率范围广，频率稳定度高，精度高，频率转换速度快。系统框图如图 5-1.分析以上两种方案，显然第二种方案具有更大的优越性、灵活性。所以采用方案二进行设计。四川理工学院本科毕业设计（论文）3第 3 章 DDS 基本原理3.1 频率合成技术概述所谓频率合成技术指的是由一个或者多个具有高稳定度和高精确度的频率参考源，通过在频率域中的线性运算得到具有同样稳定度和精确度的大量的离散
10、频率的技术。完成这一功能的装置被称为频率合成器。频率合成器应用范围非常广泛，特别是在通信系统、雷达系统中，频率合成器起了极其重要的作用。随着电子技术的不断发展。频率合成器的应用范围也越来越广泛，对其性能要求也越来越高。频率合成器的主要指标有以下这些：(1) 输出频率的范围指的是输出的最小频率和最大频率之间的变化范围。(2) 频率稳定度指的是输出频率在一定时间隔内和标准频率偏差的数值，它分长期、短期和瞬间稳定度三种。(3) 频率分辨率指的是输出频率的最小间隔。(4) 频率转换时间指的是输出由一种频率转换成另一种频率的时间。(5) 频谱纯度频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量，杂散分为谐波分量和非谐
11、波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性失真产生；相位噪声是衡量输出信号相位抖动大小的参数。(6) 调制性能指的是频率合成器是否具有调幅(AM)，调频(FM)、调相(PM)等功能。彭巨龙：基于 DDS 技术信号源的设计4频率合成器的实现方法大体可以分成三种：直接频率合成、间接频率合成、直接数字频率合成。下面对这三种方法进行一下简单的介绍。直接频率合成是一种比较早期的频率合成方法，这种频率合成方法使用一个和多个标准频率源先经过谐波发生器产生各次谐波，然后经过分频、倍频、混频滤波等处理产生所需要的各个频点。这种方法产生的波形，相噪小，频率转换时间短。但是直接频率合成设备比较复杂笨重，并且容易产生杂
12、散。间接频率合成又称之为锁相频率合成。采用了锁相环技术，对频率进行加、减、乘、除，产生所需的频率。由于锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，所以锁相频率合成的方法对杂散有很好的抑止作用。锁相式频率合成器还易于集成化。但是锁相式频率合成器的频率转换时间比较长，而且在单环的情况下很难做到很小的频率分辨率。直接数字频率合成(DDS-Digital Direct Frequency Synthesis)是一种比较新颖的频率合成方法。随着科学技术的日益发展这种频率合成方法也越来越体现出它的优越性来。DDS 是一种全数字化的频率合成方法。3.2 直接数字频率合成技术（DDS）基本原理3.2.1 直接数字频率合成的基本结构DDS 的基本结构如图 3-1， DDS 主要由四个基本部分组：(1)相位累加器；(2) 波形 ROM；(3)D/A 转换器；(4) 低通滤波器。图 3-1 直接数字频率合成结构相位累加器的结构如图 3-2 所示
