1、1Yibin University电子信息科学与技术专业本科生 EDA 设计报告题 目 基于 FPGA 的 DDS 仿真与设计 专 业 电子信息科学与技术 班 级 学生姓名 学 号 2013 年 12 月 18 日 2基于 FPGA 的 DDS 仿真与设计（宜宾学院物理与电子工程学院 2011 级 2 班 段艳婷 110302034）摘要：本文论述了直接数字频率合成技术（DDS）的信号发生器的设计与实现。本设计是以 DDS芯片 Cyclone ：EP2C5T144C8 为频率合成器的函数信号发生器。本文分析了 DDS的设计原理，基于 VHDL语言进行系统建模等，同时利用 Quartus 编译平
2、台完成一个具体DDS芯片的设计，详细阐述了基于 VHDL编程的 DDS设计方法步骤。利用 Altera公 司 的 Quartus 开发软件,完成 DDS核心部分即相位累加器和 RAM 查找表的设计,可得到相位连续、频率可变的信号，并 通 过 单 片 机 配 置 FPGA的 E2 PROM完成对 DDS硬件的下载,最后完成每个模块与系统的时序仿真。由于 FPGA的可编程性,使得修改和优化 DDS的功能非常快捷。关键字：DDS，Quartus ，FPGA中图分类号：TN引言：随着现代电子技术的不断发展,在通信系统中往往需要在一定频率范围内提供一系列稳定和准确的频率信号,一般的振荡器己不能满足要求,
3、这就需要频率合成技术。直接数字频率合成(Direct Digital Frequen2cy Synthesis ,DDS)是把一系列数据量形式的信号通过 D/ A 转换器转换成模拟量形式的信号合成技术。目前在高频领域中,利用FPGA 来设计符合自己需要的 DDS 系统就是一个很好的解决方法。3正文：目录第一章 绪论 .41.1、DDS 引言 .41.2、直接数字合成器的概念及其发展 .41.3、DDS 技术在国内研究状况及其发展趋势 .51.4、频率合成器种类与技术发展趋势 .61.5、DDS 优势 .61.6、课题主要研究内容和 设计要求 .7第二章 超大规模集成电路设计介绍 .72.1、引
4、言 .72.1.1、EDA 技术的含义及特点 .82.1.2、EDA 技术的主要内容 .82.2、可编程逻辑器件 FPGA.92.3、硬件描述语言（HDL） .112.3.1、VHDL 简介 .112.3.2、VHDL 的主要特点 .122.3.3、VHDL 语言的优势 .122.4、软件开发工具 .14第三章 DDS 工作原理和主要特点 .143.1、DDS 的基本工作原理 .153.1.1、DDS 采样量化 .153.1.2、DDS 的基本参数推导 .173.2、DDS 的主要特点 .183.3、DDS 建模 .18第四章 用 VHDL 来编程实现和仿真 .204.1、VHDL 编程实现
5、.204.1.1、频率控制字的生成模块 .204.1.2、频率控制字的 VHDL 实现程序 .214.1.3、32 位加法器的生成模块 .214.1.4、32 位加法器的宏模块 .224.1.5、32 位寄存器的生成模块及 VHDL 实现程序 .224.1.6、存放波表 Rom 的生成模块及宏模块 .234.1.7、整体模块设计 .244.2、用 Quartus 进行 DDS 仿真 .244.2.1、Quartus 软件简介 .254.2.2、用 Quartus 的仿真步骤和图像 .2644.2.3、注意事项 .29第五章 结束语 .305.1、总结 .305.2、参考文献 .315.3、致谢
6、 .325.4、附录 .32第一章 绪论1.1、 DDS 引言频率合成技术是将一个（或多个）基准频率变换成另一个（或多个）合乎质量要求的所需频率的技术。在通信、雷达、导航、电子侦察、干扰等众多领域都有应用。1971 年 3 月美国学者 J.Tierncy，C.M.Rader 和 B.Gold 首次提出了直接数字频率合成（DDSDirect Digital Synthesis）技术。这是一种从相位概念出发直接合成所需要的波形的新的全数字频率合成技术。同传统的频率合成技术相比，DDS 技术具有极高的频率分辨率、极快的变频速度，变频相位连续、相位噪声低，易于功能扩展和全数字化便于集成，容易实现对输出
7、信号的多种调制等优点，满足了现代电子系统的许多要求，因此得到了迅速的发展。1.2、直接数字合成器的概念及其发展随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天和遥控遥测技术的不断发展，对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率个数的要求越来越高。为了提高频率稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数多的要求，因此，目前大5量采用频率合成技术DDS 即 Direct Digital Synthesizer，中文名称是直接数字合成器，是一种新型的频率合成技术，具有较高的频率分辨率，可以实现快速的频率切换，并且在改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制，以其使用
8、方便和品路分辨率高等优点，在现代通信领域得到越来越广泛的应用。用VHDL 语言对 DDS 进行功能描述，方便在不同的实现方式下移植和修改参数，因而逐步成为 DDS 设计主流，而且在 Alter 公司开发的Maxplus2 中，不仅提供了方便的 VHDL 编译和综合平台，还集成了可供程序对应下载的 FPGA 器件等大量芯片，大大缩短了 DDS 的设计和开发周期。它是现代通信系统必不可少的关键电路，广泛应用于数字通信、卫星通信、雷达、导航、航天航空、遥控遥测以及高速仪器仪表灯领域。1.3、 DDS 技术在国内研究状况及其发展趋势频率合成器的技术复杂度很高，经过了直接合成模拟频率综合器、锁相式频率综
9、合器、直接数字式频率综合器（DDS）三个发展阶段。目前，在我国，各种无限系统中使用的品路合成器普遍采用锁相式频率综合器，通过 CPU 控制，课获得不同的频点。锁相式频率综合器含有参考振荡器与分频器、可控分频器、压控振荡器及鉴相器、前置分频器等功能单元。频率合成器的最终发展方向是锁相式频率综合器、双环或多环锁相式频率合成器、DDS 频率合成器，以及 PPL 加 DDS 混合式频率合成器。因此，锁相式频率综合器和6直接数字式频率综合器收到了国内各界关注，并得到了迅猛发展。基于 DDS 波形产生的应用现阶段主要在两个方面：1.设计通讯系统需要灵活的和极好的相噪，极低的失真性能的频率源，它通常选用 D
10、DS 综合它的光谱性能和频率调谐方案。2.作为选择地，许多工业和医学应用 DDS 作为可编程波形发生器。因为 DDS 是数字可编程，它的相位和频率在不改变外围成分的情况下能很容易地改变，而传统的基于模拟编程产生波形的情况下要改变外围成分。DDS 允许频率的实时调整去定位参考频率或者补偿温度漂移。1.4、频率合成器种类与技术发展趋势种类：直接模拟合成法、锁相环合成法、直接数字合成法发展：直接模拟合成法利用倍频、分频、混频及滤波，从单一或几个参数频率中产生多个所需的频率。锁相环合成法通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算。1.5、 DDS 优势如今在价格方面有竞争力的，高性能，功能集成的 DDS
11、芯片在通讯系统和传感应用方面已经变得非常常见了。它吸引工程师的优势主要包括：数字控制微调频率调谐和轻微程度相位调制能力。极快速度调谐输出频率（相位）7DDS 的数字体系结构取消了像传统模拟合成方案那样的手动调谐和温度补偿的不方便，DDS 的数字控制结构外围使系统的远程控制更为方便，在处理器控制下达到最优化。1.6、课题主要研究内容和设计要求本课题设计研究的主要内容就是基于 FPGA 的 DDS 仿真设计，在 Quartus 的基础上，运用 VHDL 的编程来实现各大模块，并对其进行实现和仿真。第一章是简单的介绍了一下 DDS 的概念、现状、内容和发展前景；第二章是对 DDS 所采用的辅助工具的
12、介绍；第三章是对 DDS工作原理和主要特点的介绍；第四章是用 VHDL 来编程实现和仿真，第五章是最后的总结心得及附录。第二章 超大规模集成电路设计介绍2.1、引言随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，EDA 技术的含量正以惊人的速度上升；电子类的高新技术项目的开发也逾益依赖于 EDA 技术的应用，即使是普通的电子产品的开发，EDA 技术也常常使产品的开发周期大为缩减、性能价格比大幅提高。不言而喻，EDA 技术将迅速成为电子8设计领域中的及其重要的组成部分。2.1.1、EDA 技术的含义及特点ED
13、A（Electronic Design Automation，电子系统设计自动化）技术是 20 世纪 90 年代初从 CAD（计算机辅助设计） 、CAM（计算机辅助制造） 、CAT（计算机辅助测试） 、CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。现代 EDA 技术就是以让计算机为工具，在 EDA软件平台上，根据硬件描述语言 HDL 完成的设计文件，能自动地完成用软件方式描述的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、布局布线、逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。可见，利用 EDA 技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：1） 用软件的
14、方式设计硬件；2） 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；3） 采用自顶向下（topdown）的设计方法；4） 设计过程中可用有关软件进行各种仿真；5） 系统可现场编程，在线升级；6） 整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。因此，EDA 代表了当今电子设计技术的最新发展方向。92.1.2、EDA 技术的主要内容EDA 技术涉及面很广，内容丰富，从教学和使用的角度看，主要应掌握如下四个方面的内容：1） 大规模可编程逻辑器件；2） 硬件描述语言；3） 软件开发工具；4） 实验开发系统。其中，大规模可编程逻辑器件是利用 EDA 技术进行电子系统设计的载体，
15、硬件描述语言是利用 EDA 技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用 EDA 技术进行电子系统设计的智能化的自动设计工具，实验开发系统则是利用 EDA 技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。2.2、可编程逻辑器件 FPGAPLD（ Programmable Logic Device，可编程逻辑器件）是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。FPGA 和 CPLD 分别是现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，生于 20 世纪 70 年代。自问世以来，PLD 经历了从 PROM（Programmable ReadOnly
16、 Memory,可编程序的只读存储器） 、PLA（Programmable Logic Array,可编程序逻辑阵列） 、PAL（Programmable Array Logic ,可编程序阵列逻辑）、GAL（Generic Array Logic，通用阵列逻辑）到10FPGA、ispLSI（in system programmable large scale integration，在系统可编程大规模集成电路）等高密度 PLD 的发展过程。与中小规模通用型集成电路相比，用 PLD 实现数字系统，有集成度高、速度快、功耗低、可靠性高等优点。与大规模专用集成电路相比，用 PLD 实现数字系统，有
17、研制周期短、先期投资少、无风险、修改逻辑设计方便、小批量生产成本低等优势。PLD 是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，PLD 能完成任何数字器件的功能。FPGA 是 20 世纪 80 年代中期，美国 Altera 公司推出的一种现场可编程门阵列，其结构主要分为三部分：可编程逻辑单元、可编程输入输出单元和可编程连线部分。FPGA 器件采用逻辑单元阵列结构和静态随机存取存储器工艺，设计灵活，集成度高，可利用计算机辅助设计，绘出实现用户逻辑原理图、逻辑布尔方程或用硬件描述语言等方式设计输入；然后经一系列转换程序、自动布局布线、模拟仿真的过程；最后生成配置 FPGA 器件的数据文件，对 FPGA器件初始化。这样实现了满足用户要求的专用集成电路，真正达到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成电路的目的。由此设计的 DDS 电路简单,性能稳定, 也基本能满足绝大多数通信系统的使用要求。概括来说，FPGA 器件具有下列优点：高密度、高效率、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本、设计灵活方便，可缩短研制周期，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证。基于上述的优点，本设计采用 FPGA 芯片作为平台，这样可以把整个
