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1、毕业论文毕业论文基于基于 FPGA 的的 DDS 信号发生器的研究信号发生器的研究第第 1 章章 绪绪 论论1.1 课题背景频率检测是电子测量领域的最基本也是最重要的测量之一，频率信号抗干扰强，易于传输，可以获得较高的测量精度，所以频率方法的研究越来越受到重视1。在频率合成领域中,直接数字合成(Direct Digital Synthesizer，简称：DDS)是近年来新的技术, 它从相位的角度出发直接合成所需波形。 它是由美国人 J.Tierncy 首先提出来的,是一种以数字信号处理理论为基础,从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字技术的频率合成方法2。其主要优点有：频率改变速度快、
2、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化便于集成等，目前使用最广泛的一种 DDS 频率合成方式是利用高速存储器将正弦波的M 个样品存在其中，然后以查找的方式按均匀的速率把这些样品输入到高速数模转换器，变成所设定频率的正弦波信号3。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 Logic 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
3、化的仪器仪表工业等许多领域。DDS 的数字部分，即相位累加器和查表，被称为数控振荡器（NCO）4。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
4、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。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在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波。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。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
5、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 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。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，2
6、005 年的产品 N6030A能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。最近几年来，随着集成电路技术和器件水平的提高，国外一些公司先后推出各种各样的 DDS 专用芯片，如 Qualcomm 公司的 Q2230、Q2334，AD 公司的AD9955、AD9850、AD9851、AD9852 等5。1.2.2 国内外波形发生器产品比较频率合成器被誉为电子系统的“心脏”，频率源的发展直接关系到电子系统性能的发展。信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于通信、雷达、测控、电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、
7、频率计等仪器一样是最普通、最基本也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器6。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。目前我国已经开始研制信号
8、发生器，并获得了可喜的成果，但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业，并且我国目前在波形发生器的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7。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8。多功能波形发生器采用 FPGA 器件作为核心控制部件，精度高稳定性好，得到波形平滑，特别是由于 FPGA 的高速度，能实现较高频率的波形9。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
9、为一些 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 论文的主要工作与章节安排本文主要通过分析 DDS 的原理，进而得到 DDS 信号发生器的设计方案，然后通过选材等一系列设计来完成 DDS 信号发生器的研究。其中第二章主要介绍 DDS 的基本原理以及优缺点。第三章则重点介绍了本次设计所采用的开发平台。第四章是本问重点介绍的对象，里面主要包含了设计的具体思路包括系统的实现以及系统工作流程情况。第五章是要是对实验结果进行分析。第第 2 章章 DDS 波形发生器的理论介绍波形发
10、生器的理论介绍2.1 DDS 的基本原理与特点DDS 即直接数字频率合成技术，是由美国学者 J.Tiercy,M.Rader 和B.Gold 于 1971 年首次提出， 是一种以数字信号处理理论为基础,从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字技术的频率合成方法。从 1971 年至今，DDS 已从一个工程新事物逐渐发展成为一个重要的设计工具。与大家熟悉的直接式和间接式（PLL）频率合成技术不同，DDS 技术完全采用数字技术处理，属于第三代频率合成技术。DDS 的主要优点是它的输出频率、相位和幅度能够在微控制器的控制下精确而快速的变换。DDS 的应用领域包括各类无线通信、有线通信、网络通信，
11、各类需要频率信号的仪器、仪表、遥测、遥感设备、收音机和电视机等10。本节以正弦信号的产生为例，阐述 DDS 技术的基本原理。对于一个频谱纯净的单频正弦信号可以用下式来描述：（2-1）其相位为)2(sinsinoutouttfAtAS（2-2）显然，该正弦信号相位和幅值均为连续变量。为了便于采用数字技术，应对连续的正弦信号进行离散化处理，即把相位和幅值均转化为数字量。用频率为 fclk 的基准时钟对正弦信号进行抽样 ，这样，在一个参考时钟周期 T 内，相位的变化量为 （2-3）由上式得到的 为模拟量，为了将其转化为数字量，将 2 切割成 2N 等份作为最小量化单位，从而得到 的数字量 M 为：（
12、2-4）将式（2-3）带入（2-4）得（2-5）式（2-5）表明，在参考时钟频 fclk 确定的情况下，输出正弦信号的频率fout 决定于 M 的大小，并且与 M 呈线性关系。通过改变 M 的大小，就可以改变输出正弦信号的频率，因此，M 也称频率控制字。当参考时钟频率取 2N时，正弦信号的频率就等于频率控制字 M。当 M 取 1 时，可以得到输出信号的最小频率步进为（2-6）由此可知，只要 N 取值足够大，就可以得到非常小的频率步进值。将相位转化为数字量以后，式（2-1）就可以描述为如下形式：（2-7）tfout2clkout clkout22ffTfclkOUT222 ffMNN MffN2
13、clk outNff2clkMMAfMMAASkkN 1sin11kout22sin)(sin表示本周期相位值与前一个基准时钟周期的相位值的累加。从式（2-7）可以看出，只要用频率控制字 M 进行简单的累加运算，就可以得到正弦函数的当前相位值。而正弦信号的幅值就是正弦信号的当前相位值的函数。由于正弦函数为非线性函数，很难实时计算，一般通过查表的方法来快速获得函数值。有了上述理论分析，我们就可以得到一种用数字的方法获得正弦信号的方法：先构建一个 N 为的相位累加器，在每一个时钟周期内，将相位累加器中的值与频率控制字相加，得到当前的相位值。将当前的相位值作为 ROM 的地址，读出 ROM 中的正弦
14、波数据，再通过 D/A 转化成模拟信号。频率控制字越大，相位累加器的输出变化越快，ROM 的地址变化也越快，输出的正弦信号频率越高。需要注意的是，受 ROM 容量的限制，ROM 地址位数一般小于相位累加器的位数，因此，把相位累加器输出的高位作为 ROM 的地址。只需要改变频率控制字，就可以改变输出信号的频率，因此，采用 DDS 技术，对输出信号频率的控制十分简单。DDS 正弦信号发生器的基本原理框图如图 2-1-1 所示。图 2-1 DDS 正弦信号发生器基本原理框图2.2 DDS 信号的优点与缺点2.2.1 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)，实际输
15、出带宽仍可达到 40%fs。(2)频率转换时间短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发生了突变，因而保
16、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。2.2.2 DDS 的缺点(1)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
