1、xx 大学学士学位论文- I -基于 DDS 的数字移相信号发生器摘要频率源是雷达、通信、电子对抗与电子系统实现高性能指标的关键，很多现代电子设备和系统的功能都直接依赖于所用频率源的性能，因此频率源被人们喻为众多电子系统的“ 心脏”。而当今高性能的频率源均通过直接数字频率合成(DDS)技术来实现。直接数字式频率合成技术DDS(Direct Digital Synthesis)是新一代的频率合成技术，它采用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高，频率切换快，频率切换时相位连续和相位噪声低以及全数字化易于集成等优点。本文首先对信号发生器以及DDS的发展和现状进行了归纳叙述。其次对 DDS的原
2、理及其输出信号的性能进行了分析。再次通过对系统的分析，总结归纳出了系统的硬件结构，硬件主要由FPGA 芯片、数模转换电路、幅度调节电路、功率放大电路和输入、显示电路组成。采用FPGA实现了正弦信号发生器，信号发生器主要由累加器和ROM查询表组成，可由频率和相位控制字使信号发生器的输出改变。最后完成了软件和硬件的设计和调试，对实验样机进行了测试，结果显示的数据基本能够达到输出频率变化范围在4.992kHz1272.96kHz ，输出幅度为 1.8V2.1V的设计要求。关键词 直接数字频率合成器；信号发生器；现场可编程门阵列xx 大学学士学位论文- II -Digital Phase Shifte
3、r Signal Generator Base on DDSAbstractThe frequency source is the radar, the correspondence，the electronic countermeasure and the electronic system realization high performance target key, the very many modem electronic installation and the system function all directly relies on in uses the frequenc
4、y source the performance，therefore the frequency source is explained by the people for the multitudinous electronic system” the heart”But the high performance frequency source realizes now through the direct digital frequency synthesizes(DDS).Direct digital synthesizing is a new frequency synthesizi
5、ng technology, which adopts phase increment controled by digital. It has so many virtues such as high frequency resolving, fast frequency switching ability, continuous phase, low phase noise and integration easily for its digital operation.This article first DDS signal generator, as well as the deve
6、lopment and summarized description of the status quo. Second, the principle of the DDS output signal and its performance analyzed. Again through the system analysis, a summary of the systems hardware architecture, hardware mainly by the FPGA chip, digital-to-analog conversion circuit, the rate adjus
7、tment circuit, power amplifier circuit and input, display circuit. The use of FPGA realization of a sinusoidal signal generator, signal generator by the accumulator and ROM look-up table composed by the word frequency and phase control signal generator so that the output change. Finally completed th
8、e hardware and software design and debugging of the experimental prototype has been tested, the data the results showed shows that it is able to meet the design requirements of frequency range between 4.992kHz and 1272.96kHz and output range between 1.8V and 2.1V.Keywords DDS；Signal Generating ；FPGA
9、xx 大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 信号发生器技术 .11.2 频率合成技术 .21.2.1 频率合成技术概述 .21.2.2 频率合成技术的发展 .21.2.3 DDS 研究现状及意义 .31.3 FPGA 在 DDS 技术实现 .41.4 论文主要研究内容 .5第 2 章 DDS 技术 .62.1 DDS 频率合成的原理与结构 .62.1.1 DDS 的基本原理 .62.1.2 DDS 的结构 .72.1.3 DDS 的工作特点 .92.2 DDS 的频谱分析 .92.3 DDS 的杂散特性分析 .102.3.1 相位截断产
10、生的杂散 .102.3.2 幅度量化产生的杂散 .122.3.3 DAC 转换误差产生的杂散 .122.3.4 其他噪声源带来的杂散 .132.4 DDS 的优点和不足 .132.5 本章小结 .14第 3 章 信号发生器系统的硬件设计 .153.1 系统硬件总体设计 .153.2 FPGA 芯片 .153.3 数模转换电路 .173.4 幅度调节电路 .193.5 功率放大电路 .193.6 时钟电路 .213.7 电源电路 .213.8 键盘输入电路 .223.9 LED 显示电路 .233.10 电路抗干扰措施 .243.11 本章小结 .25第 4 章 基于 FPGA 的系统实现及测试
11、 .26xx 大学学士学位论文- IV -4.1 FPGA 的总体设计 .264.2 FPGA 的模块 .284.3 FPGA 的编辑及下载 .334.4 系统的测试 .344.4.1 时序仿真 .344.4.2 嵌入式逻辑分析仪的使用 .344.4.3 硬件的测试 .354.5 本章小结 .35结论 .37致谢 .38参考文献 .39附录 A .41附录 B .46附录 C .51xx 大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 信号发生器技术信号发生器作为一种常用的信号源，在现代通信领域和测量领域得到广泛的应用，例如：电子测量、产品检修以及各种电类实验室等。信号发生器的种类繁多，如：
12、脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器等，这些信号发生器的主要功能是为待测器件或设备提供不同频率、不同波形的电压、电流信号，例如：正弦波、方波、三角波、锯齿波等 1。信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通讯和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收标准的信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，因此发展速度比较慢。直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。自60年代以来信号发生器有了迅速的发展
13、，出现了函数发生器，这个时候的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差，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电路结构非常复杂。自从70年代微处理器的出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器使信号发生器的功能扩大，能够产生比较复杂的波形。这时期的信号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。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度决
14、定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高CPU的时钟周期，但这些办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路 2。随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度。克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来，目前信号发生器的基础就是直接数字合成技术，用高速存储器做查询表，通过数字形式存入的波形，由高速数模转换器产生所需要的波形。如今，随着百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及嵌入式处理器软核的成熟，
15、使得SOPC(system on a programmable chip)步入大规模应用阶段，在一片FPGA上实现一个完备的数字处理系统已成为可能。而随着单片机技术的成熟和ARM(Advanced RISC Machines)处理器技术的发展，为数字信号发生器的设计又多了一种实现方式。目前，数字信号发生器的设计主要有以下两种方式。xx 大学学士学位论文- 2 -第一种方式是采用微处理器加专用信号发生器芯片(如：MAX038、AD9854等)。如文献 2便是采用这种设计方式。该设计主要采用ARM7TDMI处理器芯片S3C4510B和MAX038(高频函数发生器)芯片组成。该系统实现的输出波形频率
16、在l0Hz10MHz之间，频率偏低且输出波形频率不易数控调节。这些问题的产生主要是由MAX038芯片引起的。MAX038的输出频率范围在0.1Hz20MHz之间，这样就限制了产生波形的输出频率，另外MAX038芯片是一个压控芯片，即频率的变换需要通过调节电压实现，不易数控调频。以上存在的问题都需解决。第二种方式是基于FPGA的SOPC片上可编程嵌入式系统方式。该方式即在一片FPGA芯片中嵌入一个软核处理器，再用VHDL硬件描述语言设计出DDS和必需的外围电路，将其封装成IP核的形式，然后将其与软核处理器一起集中在FPGA芯片中，实现SOPC片上可编程嵌入式系统。目前的数字信号发生器的设计大多朝
17、着这一设计理念发展。1.2 频率合成技术1.2.1 频率合成技术概述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。频率合成信号发生器是教学实验及各种电子测量技术中很重要的一种信号源，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，对信号源的性能要求也越来越高，要求信号源的频率稳定度、准确度及分辨率要高，以适应各种高精度的测量，为了满足这种高的要求，各国都在研制一种频率
18、合成信号源，这种信号源一般都是由一个高稳定度和高准确度的标准参考频率源，采用锁相技术产生千百万个具有同一稳定度和准确度的频率信号源，为了达到高的分辨率往往要采用多个锁相环和小数分频技术。1.2.2 频率合成技术的发展频率合成技术起源于上世纪30年代，其发展迅速，至今已经历了三代频率合成器。第一代是直接式模拟频率合成器，直接式模拟频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器的原理简单，易于实现。直接模拟式合成是由一个高稳定、高纯度的晶体参考频率源，通过倍频器、分频器、混频器，对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。其主要优点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量。
19、但频率范围受到限制，不能实现单片集成，并且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以控制，因此逐渐被后来的锁相式频率合成器、直接数字式频率合成器所取代。第二代是锁相式频率合成器，锁相式频率合成是采用锁相环(PLL)进行频率合成的一种频率合成器。主要由鉴相器、分频器、压控振荡器和滤波器组成。xx 大学学士学位论文- 3 -通过改变不同的分频比实现不同的频率输出。因该技术具有相噪低，杂散抑制好，输出频率高，体积小，价格便宜等优点至今仍在频率合成领域占有重要地位。但频率改变时的稳定时间较长，不适合于频率快速变化的场合下使用。第三代直接数字频率合成器，随着数字信号处理和微电子技术的发展，频率合成领域在70年代诞
20、生了一种革命性的频率合成技术，那就是直接数字频率合成技术(DDS或DDFS )，它的出现标志着第三代频率合成技术的出现。1971年，J.Tierney和C.M.Tader等人第一次完整地提出了DDS 概念：根据采样定理，利用全数字的方法产生与频率相对应的线性正弦波相位系列，并将它转化为幅度系列，再经D/A转换和低通滤波后得到所需要的特定频率的模拟正弦波。直接数字频率合成器是一种新型的频率合成技术，具有如下优点：1.频率分辨率高，输出频点多；2.频率切换速度快，可达us量级；3.频率切换时相位连续；4.可以输出宽带正交信号；5.输出相位噪声低；6.可以产生任意波形；7.全数字化实现，便于集成，体
21、积小，重量轻。这些性能特点有些是直接模拟合成器和锁相式频率合成器所不具备的，使得直接频率合成器在高速通信系统中得以广泛应用。1.2.3 DDS 研究现状及意义由于DDS具有其他合成技术不具备的优点，短短的几十年内，随着理论的不断完善和集成电路的技术发展，DDS走向工业应用和商品化。国外由于对DDS研究较早，产生了一系列性能优越的单DDS芯片，如STANFORD TELCOMMUNICATION的 STEL系列单片产品；ADI公司的AD系列等单片产品；QUALCOMM公司的Q2230等系列；DDS技术也得到了广泛的应用，如HP8791型任意波形频率合成器以DDS为核心电路，它的输出频率范围 0.
22、0518GHz，频率分辨率为0.125Hz ，频率转换时间小于100ns，内含调制电路，覆盖带宽10MHz3GHz。为了提高DDS输出频率，一方面结合其它的频率合成方法来扩展输出频率，最常用且最有效的是DDS+PLL组合式频率合成器，这种方法结合了两个合成方法的优点，这也是频率合成器发展的一个方向；另一方面利用先进的技术不断提高DDS芯片本身的工作频率。目前，国内的DDS设计都是基于ROM查表实现的。其工作速度主要受ROM和DAC 的限制，使得DDS输出最高频率有限。其中由于 ROM是存储波形的模块，其容量由相位输入和幅度输出的位宽大小决定。位宽越大，精度越高，ROM的容量就大。大容量的ROM
23、不但面积大，功耗大，不易大规模集成化，且转换速度也受到限制。因此有必要提出一种新颖的数字频率合成方式来满足其对DDS的更高性能指标的要求。一种选择是压缩ROM大小，另一种选择是用计算法取xx 大学学士学位论文- 4 -代ROM，称为ROM-LESS 设计方法。ROM-LESS设计方法在早期的DDS 设计中受到限制，随着微电子技术的发展，现在已经成为实现DDS设计的主要方法之一，这种方法主要利用函数近似计算方式实现相幅转换，主要有CORDIC算法，多项式插值法等，其中多项式插值法由于算法简单，便于实现高速，低功耗的DDS 设计，被广泛研究。自从DDS技术诞生以来，发达国家一直没有放弃该技术及其应
24、用的研究，出现了一序列高性能的产品。我国对DDS的研究相对较晚，研究实现高速，高精度的DDS存在大量的困难。特别是在ROM-LESS的DDS 设计。因此，ROM-LESS的DDS设计方法的研究很有必要，并将得以广泛的发展。1.3 FPGA 在 DDS 技术实现近年来现场可编程门阵列(FGPA)技术得到了迅速的发展和广泛的应用，其资源容量、工作频率以及集成度都得到了极大的提高，使得利用FPGA实现某些专用数字集成电路得到了大家的关注，而基于FPGA实现的直接数字频率合成器则更具其优点，有着灵活的接口和控制方式、较短的转换时间、较宽的带宽、以及相位连续变化和频率分辨率较高等优点，其也为设计者在此基
25、础之上实现电路集成提供了另一种方法。FPGA在DDS 技术实现中的应用对于DDS系统数字部分的设计，首先会遇到在FPGA设计中非常典型的跨时钟传输的问题，单片机的输出时钟是ps级的，而FPGA中的数字系统却是ns 级的，传输速度的匹配直接影响到了输入控制字的稳定。这里采用的是不同时钟区域，单独构造原理图功能模块的方法。将高速的DDS模块单独生成原理图，将低速的单片机接口模块生成另外一个原理图，再将两个原理图重新建立工程，这样就优化功能解决了跨时钟问题。在整个DDS系统数字部分中，最关键的就是相位累加器的设计。相位累加器设计的好坏将直接影响到整个系统的性能。在设计上可以把输出数据作为另一路输入数
26、据和从处理器传过来的频率控制字连续相加，产生有规律的相位地址码。对它的设计采用流水线的操作方式，从而提高了加法器的效率。RAM块通过高性能的输入存储模块，这样既节省了FPGA中的逻辑单元，又利用了FPGA的只能用于生成存储模块的RAM块，并提高了性能。FPGA 内部功能都是用 Verilog语言实现。目前的FPGA技术得到了极大的扩展，资源容量和工作频率都有了很大的提高，市场中Xilinx和Altera 公司的FPGA 芯片都是很好的选择。而且其都支持主流的硬件编程语言VHDL和Verilog 。设计中的DDS 电路采用VHDL硬件描述语言来实现，采用VHDL语言设计的模块以后可以方便的进行修
27、改、扩展和移植到不同的FPGA芯片中 3。采用FPGA设计，首先其输入、输出接口方案都需要仔细考虑好，确定其输入和输出的数据量和控制量、位数、I/O位置等，以及和外围电路的接口及控制时序、控制方式等。在FPGA 中实现ROM 表的资源是有限的，并且 ROM表的大小随着地址位数和数据位数的增加成指数递增关系，因此在满足采样信号性能xx 大学学士学位论文- 5 -的前提条件下，如何减少资源的开销就是一个重要的问题。在FPGA中，相位累加器和相位调制器都可通过加法器来实现。在用FPGA设计的过程中，整个流程都采用系统时钟clk产生和控制，所以其各个部分的时序和同步性需要认真对待，还有考虑到加法器以及
28、乘法器等对资源的使用情况，进位链或流水线技术都可以考虑进行利用。采用FPGA设计实现DDS 电路的可行性和可靠性，也更为灵活，可根据需要进行接口和控制方式的修改，只要改变FPGA中ROM表的数据，DDS电路就可以产生任意的波形。采用FPGA设计实现还具有相对较宽的带宽、频率转换时间较短、相位连续变化、频率分辨率高等优点。而且FPGA芯片支持系统现场修改和调试，性能也基本能满足绝大多数系统的使用要求，所以，将DDS设计嵌入到FPGA芯片所构成的系统中，将使系统具有很高的性价比。1.4 论文主要研究内容本文主要的研究内容是设计一个基于 DDS 的数字移相信号发生器。结合DDS 的基本原理和 FPG
29、A 的结构及特点，设计的系统由 FPGA 芯片，数模转换器，幅度调节电路，功率放大电路和输入、显示电路组成。文中详细的阐述了硬件电路的结构以及功能。其中的采用芯片 FPGA 实现正弦信号发生器的功能。最后对设计结果进行了测试。xx 大学学士学位论文- 6 -第 2 章 DDS 技术2.1 DDS 频率合成的原理与结构直接数字式频率合成技术(DDS)是近年来随着数字集成电路和计算机的发展而迅速发展起来的一种新的频率合成技术。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，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
30、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。2.1.1 DDS 的基本原理直接数字频率合成技术是从相位概念出发，直接对参考正弦信号进行抽样，得到不同的相位，通过数字计算技术产生对应的电压幅度，最后滤波平滑输出所需频率。下面，通过从相位出发的正弦函数产生描述DDS的概念。因为是周期信号，所以正弦信号的相位值和幅度值之间具有一一对应的关系。这种关系可以通过一片存有查询表的ROM很容易地实现，该查询表的地址线对应相位信息，数据线对应幅度信息。所以，对正弦信号沿相位轴方向等间隔取样，就得到该信号的
31、抽样序列，并将取样值用二进制数表示。改变频率控制字时，相位增量发生变化，取样值的周期随之而变，从而合成所需频率。抽样序列通过数模转换器形成量化的正弦波，最后通过滤波器平滑，生成标准的正弦波。DDS的原理框图如图 2-1 所示。框图中的电路，除了滤波器外，全用数字集成电路实现，其中关键的问题是使相位增量与参考时钟精确地同步。频 率 字控 制 器相 位 寄 存 器 正 弦 查 询 表 数 模 转 换 器 低 通 滤 波 器参 考 时 钟 源频 率 控 制 字( F S P )M S BL B SKN m Mf o相 位 累 加 器N C Of c图 2-1 DDS 的原理框图图2-1中， 为参考时钟频率， =1/ ； 为输出频率， =1/ ；K 为cf CTcfoTof
