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1、自动化学院本科毕业设计（论文）开题报告题目：直接数字频率合成器的设计专 业：测控技术与仪器班级：学号：学生姓名：指导教师：2011 年 03 月本科毕业设计（论文）开题报告学生 姓名 指导 教师 课题 来源 课题 名称所在院系自拟课题课题性质直接数字频率合成器的设计测控技术与仪器自动化学院工程设计设计内容：运用dds从相位的概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术, 基于全数字技术。由参考时钟、相位累加器、只读存储器、数模转换器、滤波器组成。设计意义：不论是有线通信还是无线电通信，都离不开载波信号，而现代通信技 术对载波信号的要求越来越高，从载波信号的频率稳定度、频谱纯度、到频道间隔、 频道
2、范围和频道转换时间的指标都越来越高，载频信号的产生也从过去的倍频电路, 往PLL频率合成器直到现在的直接数字频率合成技术的方向发展。随着半导体工艺的 飞速发展，集成的DDS芯片体积小、重量轻、操作方便，同时具有极高的频率分辩率, 得到广泛的应用，成为当今电子系统及设备中频率源的首选器件。而利用DDS技术可 以产生各种性能的频率信号以满足不同通信系统中载波信号的要求，有很好的应用价毕业 设计 的内 容和 意义值。目前频率合成主要有三种方法：直接模拟合成法、锁相环（PLL）合成法和直接数 字合成法。直接模拟合成法利用倍频（乘法）分频（除法）、混频（加法与减法）及 滤波，从单一或几个参数频率中产生多
3、个所需的频率。该方法频率转换时间快（小于 100ns）,但是体积大、功耗大，目前已基本不被采用。锁相环合成法通过锁相环完成 频率的加、减、乘、除运算。该方法结构简化、便于集成，且频谱纯度高，目前使用 比较广泛，但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于大步进频率合成 技术中。直接数字合成（DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。直 接数字频率合成（DDSDirect Digital Synethsizer）技术于1971年首先被提出。与 传统的频率合成技术相比，DDS技术具有频率分辨率高、相位噪声小、输出相位连续、 频率转换速度快等优点，可以进行高精度、高稳定度编程，全数字
4、化易集成，能够 与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。在实际应用中，可以采用单片机来 代替计算机对DDS芯片进行控制，实现合成频率的输出。直接数字式频率合成（DDs）技术是数字信号处理发展的一个重要分支，基于全数 字技术，从相位概念出发直接合成所需波形。基本思路是按一定的时钟节拍从存有波 形函数表的ROM中读出与相位对应的代表波形幅值的二进制数，经过D / A变换和低 通滤波得到所需的模拟波形【1】。频率合成器被人们喻为众多电子系统的“心脏”。现代战争是争夺电子频谱控 制权的战争。频率合成器产生电子频谱。在空间通信、雷达测量、遥测遥控、 文、无线电定位、卫星导航和数字通信等先进的电子系统
5、中都需要有一个频率高度稳 定的频率合成器。电子干扰使雷达、通信面临着新的挑战。通信在电子战中跳频体 制成为一种重要的军事通信手段。跳频通信系统必须装备与跳频速度相适应的频率合 成器。一个性能优良的频率合成器应同时具备输出相位噪声低、频率捷变速度快、输 出频率范围宽和捷变频率点数多等特点。频率合成理论大约是在30年代中期提出来。最初产生并进入实际应用的是直接 频率合成技术。六十年代末七十年代初，相位反馈控制理论和模拟锁相技术的在频率文 献 综 述合成领域里的应用，引发了频率合成技术发展史上的一次革命，相干间接合成理论就 是这场革命的直接产物。随后数字化的锁相环路部件如数字鉴相器、数字可编程分频
6、器等的出现及其在锁相频率合成技术中的应用标志着数字锁相频率合成技术得以形 成。由于不断吸引和利用如吞脉冲计数器、小数分频器、多模分频器等数字技术发展 的新成果，数字锁相频率合成技术已日益成熟【2】。1971年，美国学者J. Ttemcy、C. M. Rad舱和B. btd提出了以全数字技术、 从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。随着技术和器件水平的 提高，一种新的频率合成技术直接数字频率合成（DDS, Direct DigitalSynthesis）得到了飞速的发展。DDS技术是一种把一系列数字形式的信号通过DAC转 换成模拟形式的信号的合成技术，目前使用最广泛的一种DDS方
7、式是利用高速存储器 作查找表，然后通过高速DAC输出已经用数字形式存入的正弦波。DDS的主要优点是：相位连续、频率分辨率高、频率转换速度快以及良好的可 复制性能，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中 的饺饺者。DDS广泛用于接收机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等, 尤其适合于跳频无线通信系统。直接数字式频率合成器（DDS ）同DSP （数字信号处理）一样，也是一项关 键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer ） 的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率 和快速转换时间
8、等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字 化的一个关键技术。国外生产DDS芯片的公司较多，目前国内主要使用美国Qualcom公司（如， Q2220、Q3216I、Q2334、Q2230C 等）和 A/D 公司（如 AD7008 等）的产品。一 块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部 分（如Q2220）。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入 的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累 加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片 一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，
9、因此还需经过 高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。另外，有些DDS芯片还具有调幅、调频和调相等调制功能及片内D/A变换器（如AD7008）【4】。直接数字频率合成器等设备的AD9833都可通过高速串行外设接口（SPI）,并只 需要一个外部时钟生成简单的正弦波。DDS的设备，现已能产生频率小于1,频率高 达400 MHz （基于1 - GHz的时钟）的信号。他们的好处是低功耗，低成本，单一小 型封装，加上其固有的优良的性能，并能够进行数字化程序（和改编）输出波形，使 DDS的设备非常有吸引力的解决方案。在FPLD大量问世以前，电子工程师们设计数字系统的过程是：书面设计一一
10、硬 件据试一一制作样机。总所周知，硬件搭试是很费时间的，往往因接线乱和接触不良 带来各式各样的麻烦，所用器件越多，搭试难度越大，当系统规模大到一定程度，系 统复杂到一定程度，这种搭试实际是不可行的。由于计算机技术的发展和FPLD的使 用，改变了数字系统设计的程式，硬件搭试被仿真所取代。所谓仿真。就是在计算机 上建立起系统的模型。然后加进合适的测试码（对组合电路）或测试序列（对时序电 路），对此模型进行测试，以验证系统是否符合预算的设计、如不符合再行修改，直 至满足设计要求，然后便可制作样机。换言之，在最后制作样机（印制版）以前，都 处于“纸上谈兵”状态，而此纸上所谈之兵较保证准确无误，方可节省
11、时间和避免不 必要的损失【6】本次设计采用Protues仿真，Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析 与实物仿真软件。它可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特 点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路 仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调 试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号 发生器等。支持主流单片机系统的仿真。提供软件调试功能。具有强大的原理 图绘制功能。文献7讲述了软件的使用，包括电子线路部分与单片机部分。电子 线路
12、部分介绍了如何使用PROTEUS软件分析模拟电路、数字电路及模数混合电路，包 括模拟与数字激励信号的编辑、各种分析的物理意义及方法；单片机部分详细说明了 如何使用该软件设计与仿真单片机系统，包括利用软件自带的编译器编译程序和利用 第三方工具编译程序。上面两本书介绍的内容让我知道了如何让各功能模块在原理图 下实现连接，并波形仿真其功能。熟悉了 MATLAB编程坏境和如何实现MATLAB和quar tus 的连接与联合调试，总之他让我在软件方面的知识达到做这个毕业设计的要求。本设计采用V HDL语言编写功能模块，随着微电子技术和计算机技术的电速发展与 进步，使得电子系统的设计和应用进入了一个全新时
13、代。传统的手工设计过程正在被 先进的电子设计自动化(EDA)技术所取代。目前EDA技术已经成为支撑现代电子设计的 通用平台，并且逐步向支持系统级设计发展。只有以硬件描述语言(HDL)和逻辑综合 为基础的自顶向下的设计方法才能满足日趋复杂的数字系统设计需求。掌握这些现代 化设计思想和EDA工具，已经成为从事信息技术和电子系统设计领域的工程师必备的 一项基本专业技能。几乎所有厂家的EDA工具都支持HDL输人方式.出此要掌握EDA技 术就必须学会HDL。目前比较流行的HDL有VHDL和VerilogHDL两种。VHDL是美国电气和 电子工程师协会制定的标准硬件描述语言(IEEE标准1076)，是世界
14、上第一种标准化的 HDL，它可以用于数字电路与系统的描述、仿真和自动设计，当前被较广泛地使用。 书本【8】【9】【10】介绍了相关知识和如何设计。这知识在本设计中是广泛运用的, 也找了很多相关性的书，这其中三本介绍的是最详细的(相对我来说)。它们中间涉 及了如何使用VHDL语言编写功能模块，这也是本设计实现频率合成的关键技术。总之 本设计需要掌握VHDL语言，实现简单程序设计。一步步掌握参考时钟、相位累加器、 只读存储器、数模转换器、滤波器的应用。在连贯起来设计个完整的直接数字频率合 成器。参考文献：【1】陈雅琴.通信电路原理学习指导书，高等教育出版社，2007.6【2】http:/ J, H
15、alonen K. Direct digital synthesizers: theory, designand applications.Boston London:Kluwer,2001【6】黄正瑾在系统编程技术及其应用东南大学出版社，1999【7】周润景.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真.北京航空航天大学出版 社.2006年5月.1-10【8】周金富.VHDL与EDA技术入门速成.2009.06【9】孙延鹏.VHDL与可编程逻辑器件应用.2006.12【10】林明权.VHDL数字控制系统设计范例电子工业出版社，2003研 究 内 容（一）利用Quartusll软件实验箱实现DDS的设计；（二）通过实验箱上的开关输入DDS的频率和相位控制字，并能用示波器观察加以验 证；（三）系统具有清零和使能的功能；（四）DDS中的波形存储器模块用Alt era公司的Cyclone系列FPGA芯片中的ROM实 现。研究计划第一周：查阅资料，了解设计背景第二周：翻译专业英语一篇第三周：写开题报告第四周：习VHDL语言，实现简单程序设计第五周：熟悉quartus环境，实现简单硬件设计第六周：用VHDL语言编
