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1、大连交通大学信息工程学院毕 业 设 计 (论 文)题 目 基于FPGA的DDS信号源设计 学生姓名 专业班级 信息工程09-2班 指导教师 职 称讲师 所在单位 电气工程系信息工程教研室 教研室主任 完成日期 2013 年 6 月 28 日摘要随着频率合成理论和高速大规模集成电路的发展，信号发生器作为一类重要的仪器，在通信、检测、导航等领域有着广泛的应用。同时，计算机和微电子技术的迅速发展使得频率合成技术有了新的突破，出现了直接数字频率合成DDS技术。DDS具有很高的频率捷变速度、很宽的相对带宽、很高的频率分辨率、输出相位连续、可编程和全数字化便于单片集成等许多优点。本文首先介绍了频率合成技术
2、的概况，并阐述了直接频率合成技术的现状和应用。然后介绍了DDS的基本理论，并对DDS技术的理想频谱和实际频谱中的杂散以及抑制方法进行了讨论，在此基础上，详细分析了引起输出杂散的三个主要因素，并对DDS的杂散抑制方法进行了仿真研究。接着介绍了FPGA的基本原理和开发流程，并提出了基于FPGA平台实现DDS技术从而产生模拟波形信号的一种新的思路。详细阐述了该信号发生器的体系结构，并进行了软硬件的设计和具体电路的实现。实验结果表明，系统的性能指标均达到了设计要求，且具有使用简单、集成度高等特点。并对设计一个基于现场可编程门阵列(FPGA)的直接数字频率合成器(DDS)的信号源的方法进行了总结，实归纳
3、其优缺点，分析不足并提出了改进。关键词: 直接数字频率合成现场可编程门阵列信号源ABSTRACTWith the development of frequency synthesis theory and high speed LSI(Large Scale Integration)，the signal generator a sort of electronic equipment， has been widely applied in many fields such as communication，detection and navigationMeanwhile, frequenc
4、y synthesis technique makes new breakthrough because of the mushroom growth of computer and micro-electronics technology，and then the theory of direct digital frequency synthesis (DDS) is proposed. DDS has many obvious advantages such as high frequency-agile speed, wide relative bandwidth, high freq
5、uency resolution, continuity of output phase, programmable and all-digital architecture that is easy for monolithic integration.This paper describes the frequency synthesis techniques，and described the status of the direct frequency synthesis technology，and applications .Then introduced the basic th
6、eory of DDS，and DDS technology，the ideal spectrum and the actual spectrum of the spurious as well as the suppression method is discussed，based on analyzing the output spectrum of the DDS，three main factors causing output spurs are analyzed in details and the simulation study of some methods to reduc
7、e spurs is presented. And then introduced the basic principles and FPGA development process and proposed FPGA platform based on DDS technology to produce a variety of waveform signals a new kind of thinking.The system configuration of the signal generator is presented in details and the whole system
8、 including software and hardware is developedTesting results demonstrate that the system performance attains the demandsThe harmonic signal generator has many advantages such as easy-use, high integration, and so on. Finally ,thesis summed up the advantages and disadvantages of design a direct digit
9、al frequency synthesizer(DDS)based on field programmable gate array(FPGA)can output fixed waveforms and hand-drawn waveform signal source，and proposed improvements.Key words: direct digital frequency synthesis field-programmable gate array signal resource目 录1前 言11.1论文研究的背景及意义11.2频率合成技术的分类21.2.1直接频率合
10、成21.2.2锁相环频率合成21.2.3直接数字频率合成31.3DDS研究的现状及发展趋势31.4论文的研究内容42直接数字频率合成（DDS）技术的原理和结构52.1DDS的基本原理和数学描述52.2DDS的基本结构62.2.1相位累加器62.2.2正弦查询表ROM72.2.3数模转换器DAC72.2.4低通滤波器72.3DDS的性能特点72.4理想DDS系统的频谱分析82.5杂散对DDS输出频谱的影响92.6改善杂散的一般方法103FPGA的逻辑功能设计123.1FPGA技术介绍123.2FPGA的设计流程123.3硬件方案设计的软件及语言143.3.1QUARTUS II软件简介143.3
11、.2硬件描述语言(HDL)介绍143.4FPGA硬件电路部分整体结构设计154DDS信号源方案的实现164.1信号发生器的结构框图164.2PLL锁相环模块设计164.3DDS周期性波形的设计174.3.1正弦波发生模块174.3.2三角波发生模块184.3.3方波信号产生模块194.4波形选择模块设计204.5DDS发生器模块设计204.5.1相位累加器模块的设计214.5.2象限判断模块的设计224.5.3波形ROM查找表模块的设计244.5.4DDS的实现与结果分析25结论27谢辞28参考文献29大连交通大学信息工程学院2013届本科生毕业设计（论文）1前 言1.1论文研究的背景及意义伴
12、随电子技术迅猛发展，基于计算机的数字测量技术，以其精确的测量、快捷的转换、简单的操作而得到广泛的应用。而作为数字测量技术中的一项关键的基础技术频率信号合成技术，也备受业界关注，并获得了不断的发展。DDS(直接数字合成)技术是一种从二十世纪七十年代以来迅速发展起来的全新的全数字频率合成技术1，这种技术从相位概念出发直接合成所需波形。80年代后，随着DDS(直接数字频率合成)技术逐步发展成熟以及其专用DDS芯片(如AD公司的：AD7008、AD9850、AD9851、AD9852、AD9854、AD9858等)的面世，使得数字信号发生器得到迅速的发展。运用微处理器和专用DDS芯片设计出的信号发生器
13、在这一时期得到广泛应用。这类信号发生器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、锯齿波等，还能产生任意编辑的波形。如：惠普公司的HP33120可以产生10mHz-15MHz的正弦波和方波，同时还可以产生10mHz-5MHz的任意波2。随着现场可编程门阵列(FPGA)技术的迅速发展和广泛应用以及硬件描述语言的标准化进一步确立，极大的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处理能力。为数字信号发生器的实现提供了更简捷的实现方式。FPGA(Field Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，
14、是在早期可编程器件如PAL、GAL、CPLD等基础发展起来的一种新型可编程器件。而且FPGA与专用集成电路中的定制电路相比现场可编程特点使其既拥有了更高的灵活性，越来越高的集成度又比早期其他可编程器件门电路数更多3 。由此可以看出来设计基于FPGA的DDS信号源是现有DDS实现技术中最热门的方法。本文拟采用的DDS(直接数字合成)技术作为一种全新的数字频率合成方法与之前的合成方法相比具有很多优势。与模拟合成的方法相比主要优优势在于其系统结构简单可靠、控制方便，与锁相环方法相比直接数字合成法兼顾了较高的频率分辨率和较快的转换速度两者，有效解决了锁相环合成法中这两者之间的矛盾，在信号源方面有广泛的
15、应用。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，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4。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：第一种方式：采用微处理器加专用信号发生器芯片(如：MAX038、AD9854等)。该设计主要采用ARM7TDMI处理器芯片3C4510B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在之间，频率偏低且输出波
