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1、基于FPGA的DDS函数波形发生器的设计DDS of Function Waveform Generator Based On FPGA基于FPGA的DDS函数波形发生器的设计DDS of Function Waveform Generator Based On FPGAVersion 8.0 版本信息版本日期描述作者1.0DDS需求分析及总体结构图设计规范2.0波形ROM的定制及仿真3.0多波形数据产生模块的设计4.0波形参数控制器的设计5.0总体模块架构及仿真6.0D/A转换电路、滤波电路设计与电路组装调试7.0设计综合与板级调试8.0设计最终测试及优化2基于FPGA的DDS函数波形发生器
2、的设计_目录目录1摘要2Abstract3第一章 绪论41.1 DDS的性能介绍41.2 本设计的研究意义6第二章 DDS理论与实现工具72.1 DDS基本原理72.2参数设定72.3方案的选择72.4 DDS系统基本结构82.5 FPGA、CPLD概述82.6 Cyclone系列介绍102.7 Verilog HDL语言简介112.8 FPGA设计流程12第三章 基于FPGA的DDS的详细设计163.1 功能定义及总体设计规范：163.2 功能模块定义：163.3 开发板介绍173.4 顶层设计描述183.5 详细设计描述19第四章 DDS设计的验证与实现244.1 DDS设计的仿真244.
3、2 DDS设计的综合264.3 DDS设计结果分析报告264.4 DDS逻辑分析仪（Signal Tap II）测试结果26第五章 总结与展望285.1 总结285.2 展望28参考文献30致谢31基于FPGA的DDS函数波形发生器的设计 摘要直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer（DDS）是七十年代初提出的一种新的频率合成技术，其数字结构满足了现代电子系统的许多要求，因而得到了迅速地发展。现场可编程门阵列（Field Programmable Gata Array（FPGA）的出现，改变了现代电子数字系统的设计方法，提出了一种全新的设计模式。本设计结合这两项技
4、术，开发了一种新的函数波形发生器。在实现过程中，本设计选用了Altera公司的EP2C70F896C6N芯片作为产生波形数据的主芯片，充分利用了该芯片的超大规模集成性和快速性。本设计利用Altera的设计工具Quartus II并结合Verilog-HDL语言，采用硬件设计的方法很好地解决了这一问题。本文首先介绍了函数波形发生器的研究背景和DDS的理论。然后相近叙述了用EP2C70F896C6N完成DDS模块的设计过程，这是本设计的基础。接着分析了整个设计中应该处理的问题，根据设计原理就功能上进行了划分，将整个仪器的功能划分为控制模块和外围硬件两个部分来实现。然后就这三个部分分别详细地进行了阐
5、述。最后，通过系列实验，详细地说明了本设计的功能、性能、实现和实验结果。并结合在设计中的一些心得体会，提出了本设计中的一些不足和改进意见。通过实验说明，本设计达到了预定的要求，并证明了利用FPGA通过DDS计数实现函数波形发生器的方法是可行的。关键词直接数字频率合成；现场可编程门阵列；函数波形发生器DDS of Function Waveform Generator Based On FPGAAbstractDirect Digital Frequency Synthesis (DDS) was advanced rapidly in early 1970s and has been deve
6、loping owing to its entirely digital structure. The appearance of Field Programmable Gates Array has changed the design method of digital eletronical system and provided a new design model. With the two technologies and the flexible control ability of MCU, Functional Waveform Generator, has been dev
7、eloped. This new signal source can generate high frequency waveform data and also can change parameters of the Functional Waveform Generator. This paper will describe its process and characteristics.The EP2C70F896C6N of Corporation Altera is chosen to do the main digital processing work,which if bas
8、ed on its large scale and high speed.In this design, how to design the FPGA chip and the interface between the FPGA and the control chip is the problem. With the method of software and hardware programming,the design used the software Quartus II and language verilog-HDL solves if successfully.In thi
9、s paper, the principle of DDS and basis of EDA technology is introduced firstly. Then the master chips are introduced. They are the base of the design. The problems met in the design are analyzed and the whole function is partitioned into three parts: master chip and peripheral hardware. Finally the
10、 function, performance, realization,and experiment results are introduced in detail through some experiments. The disadvantage and things need to advance are also listed.Through an experiment, it is testified that the design meets the requirement planed and the way to use software and hardware propr
11、amming method and DDS thchnology to realize Functional Waveform Generator is available.KeywordsDDS；FPGA；Functional Waveform Generator共30页 第34页第一章 绪论_第一章 绪论1.1 DDS的性能介绍随着数字信号理论和超大规模集成电路VLSI的发展，在频率合成领域诞生了一种革命性的技术，那就是上世纪七十年代出现的直接数字频率合成DDS(Direct Digital frequency Synthesis)，它的出现标志着频率合成技术迈进了第三代。与传统的频率合成
12、相比，DDS技术具有如下优点：(1)频率切换时间短DDS的频率转换可以以近似认为是即时的，这是因为它的相位序列在时间上是离散的，在频率控制字改变之后，要经过一个时钟周期之后才能按照新的相位增量增加，所以也可以说它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期Tc = 1/fc。如果fc = 10MHz，转换时间即为lOOns，当时钟频率进一步提高，转换时间将会更短，但再短也不能少于数门电路的延迟时间。目前集成DDS产品的频率转换时间可达10ns的量级，这是目前常用的锁相频率合成技术无法做到的。(2)频率分辨率高DDS的最低输出频率为 f res = f c / 2N ，也就是它的最小频
13、率步进量，其中N为相位累加器的倍数，可见只要相位累加器有足够的字长，实现非常高精度的分辨率没有多大困难。例如可以实现Hz、mHz甚至uHz的频率分辨率，而传统的频率合成技术要实现这样的频率分辨率十分困难，甚至是不可能的。(3)相位变化连续DDS改变输出频率实际上改变的是每次的相位增量，即改变相位的增加速度。当频率控制字由Kl变为K2之后，它是在已有的积累相位Kl 上，再每次增加K2 ，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其斜率发生了突变，因而保持了输出信号相位的连续性。这在很多对频率合成器的相位要求比较严格的场合非常有用。(4)输出波形灵活只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调
14、相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和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输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形，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。(5)具有低相位噪声和低漂移DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数DDS系统应用中，一般由固定的晶振来产生基准频率，所以其具有极好的相位噪声和漂移特性。(6)易集成、易于调整DDS中除了DAC和滤波器之外，几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，易集成，不需要任何调整，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于控制，使用相当灵活。由于DDS的诸多优点，使得它在各个领域得到广泛的应用。DDS不但可以用来在雷达领域实现多点或线性调频频率源，还可以用在数字调制方面实现FSK、QPSK、8PSK等调制，在扩频通信方面实现CDMAFH工作方式以及任意规律的跳频模式等。当然DDS技术也有
