基于FPGA的DDS信號(hào)發(fā)生器的研究論文

1、畢業(yè)論文基于FPGA的DDS信號(hào)發(fā)生器的研究第1章緒論1.1 課題背景頻率檢測(cè)是電子測(cè)量領(lǐng)域的最基本也是最重要的測(cè)量之一，頻率信號(hào)抗干擾強(qiáng)，易于傳輸，可以獲得較高的測(cè)量精度，所以頻率方法的研究越來越受到重視1。在頻率合成領(lǐng)域中,直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesizer，簡(jiǎn)稱：DDS)是近年來新的技術(shù), 它從相位的角度出發(fā)直接合成所需波形。它是由美國(guó)人J.Tierncy首先提出來的,是一種以數(shù)字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ),從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的全數(shù)字技術(shù)的頻率合成方法2。其主要優(yōu)點(diǎn)有：頻率改變速度快、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數(shù)字化便于集成等，目前

2、使用最廣泛的一種DDS頻率合成方式是利用高速存儲(chǔ)器將正弦波的M個(gè)樣品存在其中，然后以查找的方式按均勻的速率把這些樣品輸入到高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，變成所設(shè)定頻率的正弦波信號(hào)3。近30年來，隨著超大規(guī)模集成、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，簡(jiǎn)稱：FPGA)、復(fù)雜可編程器件(Complex programmable Logic Device，簡(jiǎn)稱：CPLD)等技術(shù)的出現(xiàn)以與對(duì)DDS理論上的進(jìn)一步探討，使得DDS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。它已廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、遙控測(cè)試、電子對(duì)抗、以與現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等許多領(lǐng)域。DDS的數(shù)字部分，即相位累加器和查表，被稱為數(shù)控

3、振蕩器（NCO）4。波形發(fā)生器即通常所說的信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣是最普遍、最基本也是應(yīng)用最廣泛的的電子儀器之一，幾乎所有電參量的測(cè)量都要用到波形發(fā)生器。不論是在生產(chǎn)還是在科研與教學(xué)上，波形發(fā)生器都是電子工程師信號(hào)仿真試驗(yàn)的最佳工具。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測(cè)量工作對(duì)波形發(fā)生器的性能提出了更高的要求，不僅要求能產(chǎn)生正弦波、方波等標(biāo)準(zhǔn)波形，還能根據(jù)需要產(chǎn)生任意波形，且操作方便，輸出波形質(zhì)量好，輸出頻率圍寬，輸出頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度與分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度快且頻率轉(zhuǎn)換時(shí)輸出波形相位連續(xù)等。而傳統(tǒng)波形發(fā)生器采用專用芯片，成本高，控制方式不靈活，已經(jīng)越

4、來越不能滿足現(xiàn)代電子測(cè)量的需要，正逐步退出歷史舞臺(tái)?？梢?，為適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)要求，研究制作高性能的任意波形發(fā)生器十分有必要，而且意義重大。1.2 國(guó)外波形發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1波形發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀在70年代前，信號(hào)發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D和D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì)DAC的程序控制，

5、就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。90年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的波形發(fā)生器、但是HP公司推出了型號(hào)為HP770S的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它由HP8770A任意波形數(shù)字化和HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實(shí)際上也只能產(chǎn)生8種波形，而且價(jià)格昂貴。到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過GHz的DDS芯片，同時(shí)也推動(dòng)了波形發(fā)生器的發(fā)展，2003年，Agilent的產(chǎn)品33220A能夠產(chǎn)生17種波形，最高頻率可達(dá)到20M，2005年的產(chǎn)品N6030A能夠產(chǎn)生高達(dá)500MHz的頻率，采樣的頻率可達(dá)1.25GHz。最近幾年來，隨著集成電路技術(shù)和器件水平的提高，國(guó)外一些

6、公司先后推出各種各樣的DDS專用芯片，如Qualcomm公司的Q2230、Q2334，AD公司的AD9955、AD9850、AD9851、AD9852等5。1.2.2國(guó)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較頻率合成器被譽(yù)為電子系統(tǒng)的“心臟”，頻率源的發(fā)展直接關(guān)系到電子系統(tǒng)性能的發(fā)展。信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、測(cè)控、電子對(duì)抗以與現(xiàn)代化儀器儀表等領(lǐng)域，是一種為電子測(cè)量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號(hào)設(shè)備，和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣是最普通、最基本也是應(yīng)用最廣泛的電子儀器之一，幾乎所有電參量的測(cè)量都要用到波形發(fā)生器6。早在1978年，由美國(guó)Wavetek公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布

7、了最高取樣頻率為5MHz，可以形成256點(diǎn)(存儲(chǔ)長(zhǎng)度)波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為8bit，主要用于振動(dòng)、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號(hào)源，經(jīng)過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、與生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡(jiǎn)單而輸出波形的能力越來越強(qiáng)。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。目前我國(guó)已經(jīng)開始研制信號(hào)發(fā)生器，并獲得了可喜的成果，但總的來說，我國(guó)波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)，并且我國(guó)目前在波形發(fā)生器的的種類和性能都與國(guó)外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對(duì)這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫7。1.

8、2.3研究波形發(fā)生器的目的與意義波形發(fā)生器是信號(hào)源的一種，主要給被測(cè)電路提供所需要的己知信號(hào)(各種波形)，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)8。多功能波形發(fā)生器采用FPGA器件作為核心控制部件，精度高穩(wěn)定性好，得到波形平滑，特別是由于FPGA的高速度，能實(shí)現(xiàn)較高頻率的波形9。目前我國(guó)己經(jīng)開始研制波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。但總的來說，我國(guó)波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)。就目前國(guó)的成熟產(chǎn)品來看，多為一些PC儀器插卡，獨(dú)立的儀器和VXI系統(tǒng)的模塊很少，并且我國(guó)目前在波形發(fā)生器的種類和性能都與國(guó)外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對(duì)這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。1.3論文的主要工作與章節(jié)安排本文主要通過

9、分析DDS的原理，進(jìn)而得到DDS信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，然后通過選材等一系列設(shè)計(jì)來完成DDS信號(hào)發(fā)生器的研究。其中第二章主要介紹DDS的基本原理以與優(yōu)缺點(diǎn)。第三章則重點(diǎn)介紹了本次設(shè)計(jì)所采用的開發(fā)平臺(tái)。第四章是本問重點(diǎn)介紹的對(duì)象，里面主要包含了設(shè)計(jì)的具體思路包括系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以與系統(tǒng)工作流程情況。第五章是要是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。第2章 DDS波形發(fā)生器的理論介紹2.1 DDS的基本原理與特點(diǎn)DDS即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，是由美國(guó)學(xué)者J.Tiercy,M.Rader和B.Gold于1971年首次提出，是一種以數(shù)字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ),從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的全數(shù)字技術(shù)的頻率合成方法。從19

10、71年至今，DDS已從一個(gè)工程新事物逐漸發(fā)展成為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)工具。與大家熟悉的直接式和間接式（PLL）頻率合成技術(shù)不同，DDS技術(shù)完全采用數(shù)字技術(shù)處理，屬于第三代頻率合成技術(shù)。DDS的主要優(yōu)點(diǎn)是它的輸出頻率、相位和幅度能夠在微控制器的控制下精確而快速的變換。DDS的應(yīng)用領(lǐng)域包括各類無線通信、有線通信、網(wǎng)絡(luò)通信，各類需要頻率信號(hào)的儀器、儀表、遙測(cè)、遙感設(shè)備、收音機(jī)和電視機(jī)等10。本節(jié)以正弦信號(hào)的產(chǎn)生為例，闡述DDS技術(shù)的基本原理。對(duì)于一個(gè)頻譜純凈的單頻正弦信號(hào)可以用下式來描述：（2-1）其相位為（2-2）顯然，該正弦信號(hào)相位和幅值均為連續(xù)變量。為了便于采用數(shù)字技術(shù)，應(yīng)對(duì)連續(xù)的正弦信號(hào)進(jìn)行離散化

11、處理，即把相位和幅值均轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。用頻率為fclk的基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行抽樣，這樣，在一個(gè)參考時(shí)鐘周期T，相位的變化量為（2-3）由上式得到的為模擬量，為了將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，將2切割成2N等份作為最小量化單位，從而得到的數(shù)字量M為：（2-4）將式（2-3）帶入（2-4）得（2-5）式（2-5）表明，在參考時(shí)鐘頻fclk確定的情況下，輸出正弦信號(hào)的頻率fout決定于M的大小，并且與M呈線性關(guān)系。通過改變M的大小，就可以改變輸出正弦信號(hào)的頻率，因此，M也稱頻率控制字。當(dāng)參考時(shí)鐘頻率取2N時(shí)，正弦信號(hào)的頻率就等于頻率控制字M。當(dāng)M取1時(shí)，可以得到輸出信號(hào)的最小頻率步進(jìn)為（2-6）由此可知，只要N

12、取值足夠大，就可以得到非常小的頻率步進(jìn)值。將相位轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以后，式（2-1）就可以描述為如下形式：（2-7）表示本周期相位值與前一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期的相位值的累加。從式（2-7）可以看出，只要用頻率控制字M進(jìn)行簡(jiǎn)單的累加運(yùn)算，就可以得到正弦函數(shù)的當(dāng)前相位值。而正弦信號(hào)的幅值就是正弦信號(hào)的當(dāng)前相位值的函數(shù)。由于正弦函數(shù)為非線性函數(shù)，很難實(shí)時(shí)計(jì)算，一般通過查表的方法來快速獲得函數(shù)值。有了上述理論分析，我們就可以得到一種用數(shù)字的方法獲得正弦信號(hào)的方法：先構(gòu)建一個(gè)N為的相位累加器，在每一個(gè)時(shí)鐘周期，將相位累加器中的值與頻率控制字相加，得到當(dāng)前的相位值。將當(dāng)前的相位值作為ROM的地址，讀出ROM中的正弦波

13、數(shù)據(jù)，再通過D/A轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)。頻率控制字越大，相位累加器的輸出變化越快，ROM的地址變化也越快，輸出的正弦信號(hào)頻率越高。需要注意的是，受ROM容量的限制，ROM地址位數(shù)一般小于相位累加器的位數(shù)，因此，把相位累加器輸出的高位作為ROM的地址。只需要改變頻率控制字，就可以改變輸出信號(hào)的頻率，因此，采用DDS技術(shù)，對(duì)輸出信號(hào)頻率的控制十分簡(jiǎn)單。DDS正弦信號(hào)發(fā)生器的基本原理框圖如圖2-1-1所示。圖2-1 DDS正弦信號(hào)發(fā)生器基本原理框圖2.2 DDS信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)2.2.1 DDS的優(yōu)點(diǎn)(l)輸出頻率相對(duì)帶寬較寬輸出頻率帶寬為50%fs(理論值)，實(shí)際輸出帶寬仍可達(dá)到40%fs。(2)頻率轉(zhuǎn)

14、換時(shí)間短頻率時(shí)間等于頻率控制字的傳輸時(shí)間，也就是一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。DDS的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)納微秒級(jí)數(shù)量級(jí)，比使用其他的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。(3)頻率分辨率高若時(shí)鐘fs的頻率不變，DDS的頻率分辨率就是由相位累加器的位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級(jí)，許多小于1mHz甚至更小。(4)相位變化連續(xù)改變DDS輸出頻率，實(shí)際上改變的是每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)。(5)輸出波形的靈活性只要在DDS部加上相應(yīng)控制如

15、調(diào)頻控制FM，調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM即可以方便靈活實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，調(diào)頻和調(diào)幅等功能，產(chǎn)生FSK，PSK，ASK，MSK等信號(hào)。另外，只要在DDS的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形的輸出，如三角波，鋸齒波和矩形波甚至是任意波形。當(dāng)DDS的波形存儲(chǔ)器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時(shí)，即可得到正交的兩路輸出。2.2.2 DDS的缺點(diǎn)(1)輸出帶寬圍有限由于DDS部DAC和波形存儲(chǔ)器(ROM)的工作速度有限，使得DDS輸出的最高頻率有限。目前市場(chǎng)上采用CMOS，TTL，EcL，工藝制作的DDS芯片，工作頻率一般在幾十MHz至400MHz左右。采用GaAS工藝的DDS芯片工作頻率可達(dá)2GHz以上。

16、(2)輸出散雜大由于DDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了散雜。其來源主要由三個(gè)：相位累加器相位舍入誤差造成的散雜；幅度量化誤差造成的散雜和 DAC非理想特性造成的散雜。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了DDS的原理。其中第一部分以正弦波為例子，對(duì)DDS原理在整個(gè)設(shè)中的重要意義進(jìn)行講解。后一部分則是分析DDS的優(yōu)點(diǎn)以與缺點(diǎn)。第3章開發(fā)平臺(tái)介紹3.1 硬件平臺(tái)FPGA介紹3.1.1 FPGA簡(jiǎn)介自1985年Xilinx公司推出有史以來第一顆現(xiàn)場(chǎng)可程序化邏輯組件至今，已經(jīng)歷了超過二十幾年的發(fā)展歷史。在發(fā)展過程中，以FPGA為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集成取得了驚人的發(fā)展：現(xiàn)場(chǎng)可程序化邏輯組件從最初的1200個(gè)

17、可利用邏輯閘，發(fā)展到90年代的25萬個(gè)可利用邏輯閘。其后不到數(shù)年，著名FPGA廠商，包括Altera公司、Xilinx等公司，又陸續(xù)推出了建數(shù)百萬邏輯閘以上的FPGA芯片，將現(xiàn)場(chǎng)可程序化組件的整合度提高到一個(gè)新的水平。如今，各廠商不再盲目追加邏輯閘的數(shù)量，轉(zhuǎn)而努力消除過去FPGA弱勢(shì)之處，以強(qiáng)化過的運(yùn)算效能、更為節(jié)省的功耗，向各種運(yùn)算領(lǐng)域撲天蓋地而來?？v觀現(xiàn)場(chǎng)可程序化邏輯組件的發(fā)展歷史，其之所以具有巨大的市場(chǎng)吸引力，在于FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、芯片價(jià)格不斷降低，促使FPGA在某些情況下得以取代ASIC的市場(chǎng)，特別是對(duì)小量、多

18、樣，短開發(fā)期的產(chǎn)品需求，使FPGA成為首選。3.1.2 FPGA工作原理FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和部連線（Interconnect）三個(gè)部分。它的基本特點(diǎn)主要有：采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 FPGA部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。F

19、PGA采用高速CHMOS工藝，功耗很低，可以與CMOS、TTL電平兼容?？v觀現(xiàn)場(chǎng)可程序化邏輯組件的發(fā)展歷史，其之所以具有巨大的市場(chǎng)吸引力，在于FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、芯片價(jià)格不斷降低，促使FPGA在某些情況下得以取代ASIC的市場(chǎng)，特別是對(duì)小量、多樣，短開發(fā)期的產(chǎn)品需求，使FPGA成為首選11。FPGA是由存放在片RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉

20、電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活12。3.2 軟件平臺(tái)Quartus II介紹圖3-2 Quartus II軟件界面如圖3-2所示為Quartus II軟件的基本界面，Quartus II軟件是Altera的綜合開發(fā)工具，它集成了Altera的FPGA/CPLD開發(fā)流程中所涉與的所有工具和第三方軟件接口。Quartus II幾乎支持A

21、ltera現(xiàn)行的所有FPGA，在該集成開發(fā)環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)、綜合、適配到最后形成下載文件以與在線配置FPGA，還能對(duì)電路進(jìn)行功能仿真，對(duì)適配后形成的最終電路進(jìn)行時(shí)序仿真。也就是說只要有了Quartus II這個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，就基本上可以完成Altera公司FPGA開發(fā)過程中的所有工作。另外，為了方便設(shè)計(jì)，Quartus II還提供了免費(fèi)LPM模塊供用戶調(diào)用，如計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器、加法器、乘法器等。除了這些免費(fèi)的LPM模塊外，Altera公司還開發(fā)了有償IP核提供給有需要的用戶使用。這些LPM模塊和IP核都大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，縮短了開發(fā)周期。Quartus II支持多種輸入方式，常用的有：（

22、1）原理圖輸入：這種方法最直觀，適合頂層電路的設(shè)計(jì)；（2）硬件描述語(yǔ)言輸入：包括AHDL、VHDL與Verilog HDL輸入。采用硬件描述語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)易于使用自頂向下的設(shè)計(jì)方法、易于模塊規(guī)劃和復(fù)用、移植性強(qiáng)、通用性好。（3）網(wǎng)表輸入：對(duì)于在其他軟件系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的電路，可以采用這種設(shè)計(jì)方法，而不必重新輸入，Quartus II支持的網(wǎng)表文件包括EDIF、VHDL與Verilog等格式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)資源。3.3 本章小結(jié)本章主要對(duì)本次設(shè)計(jì)所選擇的開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。FPGA因?yàn)槠洳粌H可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、芯片價(jià)格

23、不斷降低，所以成為首選。軟件部分主要是對(duì)Quartus II進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。第4章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1 設(shè)計(jì)要求采用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，其原理框圖如圖4-1所示：圖4-1 DDS信號(hào)發(fā)生器原理框圖設(shè)計(jì)要求如下：1、具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形；2、輸出信號(hào)頻率圍1Hz5MHz，重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔小于等于1Hz；3、輸出信號(hào)幅值圍0.510V（峰-峰值），信號(hào)幅值和直流偏移量可數(shù)控調(diào)節(jié)；4、具有穩(wěn)幅輸出功能，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓幅度變化不大于±3%（負(fù)載電阻變化圍：50正無窮）；5、具有顯示輸出波形類型、重復(fù)頻率等功能。4.2 系統(tǒng)方案論證與比較4.2.1產(chǎn)

24、生DDS信號(hào)波形方案的選擇目前主流的DDS信號(hào)發(fā)生器方案有兩種：方案一、采用專用DDS集成芯片實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器；方案二、采用單片機(jī)+FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS信號(hào)發(fā)生器。比較這兩種方案，專用DDS芯片部的波形數(shù)據(jù)存放在ROM型存儲(chǔ)器中，波形數(shù)據(jù)無法修改故而只能產(chǎn)生固定波形的信號(hào)，但系統(tǒng)比較容易實(shí)現(xiàn)。而采用單片機(jī)+FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS信號(hào)發(fā)生器則是將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器改為FPGA上的RAM行存儲(chǔ)器，波形信號(hào)能實(shí)時(shí)改變，在利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制和處理后，能實(shí)現(xiàn)DDS任意波形發(fā)生器，功能更加完善，更新更加方便。故本設(shè)計(jì)選用方案二。4.2.2單片機(jī)處理器比較選擇方案一：采用AT89C51單片機(jī)處理電路，其擁有并

25、行I/O口32個(gè)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，且不具備自帶AD、DA，使得電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方案二：C8051F360單片機(jī)部資源非常豐富，是目前功能最全、速度最快的51核SoC單片機(jī)之一，包括告訴8051微處理器核，擴(kuò)充終端處理系統(tǒng)，256字節(jié)部RAM，1024字節(jié)XRAM和32KB的閃速存儲(chǔ)器，多達(dá)39個(gè)I/O引腳，兩個(gè)部振蕩器和片調(diào)試電路，能很好的完成本系統(tǒng)所需的單線程，鍵盤功能分支程序控制。在本設(shè)計(jì)中選用方案二。4.3 系統(tǒng)理論分析與設(shè)計(jì)4.3.1總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)+FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS信號(hào)發(fā)生器，整個(gè)DDS信號(hào)發(fā)生器由單片機(jī)子系統(tǒng)、FPGA子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)原理框圖如

26、下圖4-2所示：圖4-2系統(tǒng)原理框圖4.3.2主要技術(shù)參數(shù)的分析與確定DDS信號(hào)發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)取決于DDS系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率、相位累加器的位數(shù)、波形數(shù)據(jù)表的長(zhǎng)度等參數(shù)，下面對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行討論，以選擇適合的模擬電路元件以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的DDS信號(hào)。1、輸出帶寬當(dāng)頻率控制字M=1時(shí)，輸出信號(hào)的最低頻率為（4-1）式中，為參考時(shí)鐘頻率，N為相位累加器的位數(shù)。當(dāng)N取很大值時(shí)，最低輸出頻率可以認(rèn)為達(dá)到DDS最低頻率的零頻。DDS的最高輸出頻率由參考時(shí)鐘周期和一個(gè)周期波形采樣點(diǎn)數(shù)決定，若采樣點(diǎn)數(shù)為X，則最高輸出頻率為（4-2）2、頻率分辨率頻率分辨率由下式?jīng)Q定：（4-3）在此式中，當(dāng)N取值足夠大時(shí)，DDS信號(hào)可

27、以達(dá)到很高的信號(hào)分辨率。3、 DDS信號(hào)的質(zhì)量由于DDS信號(hào)發(fā)生器采用全數(shù)字設(shè)計(jì)，不可避免在采樣時(shí)會(huì)帶來D/A產(chǎn)生的幅度量化噪聲和相位累加運(yùn)算截?cái)喈a(chǎn)生的相位噪聲。改善DDS信號(hào)質(zhì)量的主要方法有：增加波形存儲(chǔ)器和D/A的字寬；增加每個(gè)周期數(shù)據(jù)的樣本數(shù)，提高外部參考時(shí)鐘頻率和通過低通濾波器來改善輸出信號(hào)質(zhì)量。綜合上述討論和對(duì)器件成本以與硬件系統(tǒng)復(fù)雜度的考慮，DDS子系統(tǒng)的參數(shù)確定如下：1 參考時(shí)鐘頻率：40MHz；2 頻率控制字的位寬：32位；3 相位累加器的位寬：32位；4 波形存儲(chǔ)器的地址位寬：8位；5 波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)位寬：8位。4.3.3數(shù)字部分電路設(shè)計(jì)該DDS信號(hào)發(fā)生器的數(shù)字部分包括單片

28、機(jī)子系統(tǒng)、FPGA、高速D/A轉(zhuǎn)換器、人機(jī)接口（128×64點(diǎn)陣式LCD模塊和4×4矩陣式鍵盤）。單片機(jī)子系統(tǒng)需要完成鍵盤輸入、液晶顯示、向FPGA傳送數(shù)據(jù)、輸出信號(hào)幅值和直流偏移量的數(shù)字控制等功能。本設(shè)計(jì)中DDS信號(hào)發(fā)生器的鍵盤主要用于選擇信號(hào)波形、輸入頻率值、控制輸出信號(hào)幅值和直流偏移量。09鍵用于輸入頻率值，其中03鍵還用于選擇輸出波形；Hz鍵用于輸入給定頻率值的確認(rèn)鍵；波形選擇鍵用于選擇波形；A+鍵用于增加信號(hào)幅值，A-鍵用于減少信號(hào)幅值,D+鍵用于增加直流偏移量，D-鍵用于減少直流偏移量。單片機(jī)控制程序包括主程序和鍵盤終端服務(wù)程序。主程序完成初始化和鍵值輸入處理功

29、能，鍵盤終端服務(wù)程序只完成鍵值讀入功能。鍵盤終端中斷程序完成鍵盤中斷服務(wù)。FPGA部的DDS子系統(tǒng)包括地址譯碼電路、LCD模塊接口、4×4鍵盤接口和DDS子系統(tǒng)。其中地址譯碼器用來產(chǎn)生外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O接口的片選信號(hào)，LCD模塊LCD12864與單片機(jī)之間采用并行接口將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)顯示出來，4×4鍵盤接口電路包括分頻電路、鍵盤掃描電路、行值編碼器和消抖電路實(shí)現(xiàn)按鍵轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼、鍵值數(shù)據(jù)端口與單片機(jī)總線接口連通、鍵值有效時(shí)的中斷信號(hào)和消抖功能，DDS子系統(tǒng)由頻率字寄存器、相位累加器、波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等幾部分組成以根據(jù)輸入控制要求產(chǎn)生多種波形信號(hào)。高速D/A轉(zhuǎn)換器采

30、用AD公司的高速D/A轉(zhuǎn)換器AD9708，轉(zhuǎn)換速率為40MHz，含有一個(gè)輸入數(shù)據(jù)鎖存器和譯碼邏輯電路，用來完成波形重建功能。4.3.4模擬部分電路設(shè)計(jì)該DDS信號(hào)發(fā)生器的模擬部分包括濾波電路、信號(hào)放大器電路和驅(qū)動(dòng)電路。模擬電路將承擔(dān)輸出信號(hào)幅值、直流偏移量、驅(qū)動(dòng)能力等指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。濾波電路針對(duì)高速D/A輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，將輸出信號(hào)中高頻分量通過低通濾波器濾去，得到相對(duì)純凈的波形信號(hào)。根據(jù)DDS信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求，輸出正弦信號(hào)的最高頻率為5MHz，故本DDS信號(hào)發(fā)生器的濾波電路采用截至頻率為5MHz的單片機(jī)集成低通濾波器LT6600-5。另在LT6600-5的外部電路中需外接阻值較大的兩個(gè)電阻，

31、以防治濾波器部差分電路增益過大引起的輸出波形飽和失真。信號(hào)放大電路由基本差分放大電路、反相放大器和數(shù)字電位器組成?？紤]到差分輸出信號(hào)仍可能含有少量直流分量，在反相放大器后設(shè)計(jì)了一個(gè)直流偏移量調(diào)節(jié)電路，該直流偏移量調(diào)節(jié)電路由數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路將為DDS信號(hào)發(fā)生器提供穩(wěn)幅輸出能力，即當(dāng)負(fù)載電阻從50變化時(shí)，輸出電壓幅度變化不大與±3%。實(shí)際設(shè)計(jì)中我們采用了TI公司的THS3092高速集成運(yùn)算放大器。4.4 FPGA部DDS子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)FPGA部邏輯分為四個(gè)部分：地址譯碼電路、4X4鍵盤接口、DDS子系統(tǒng)、LCD模塊接口。下面主要介紹DDS子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)DDS原理圖可知，DDS子

32、系統(tǒng)由頻率字寄存器、相位累加器、波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器幾個(gè)部分組成。根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求，DDS信號(hào)發(fā)生器應(yīng)能產(chǎn)生多種波形，這就要求單片機(jī)可以向波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器傳送不同的波形數(shù)據(jù)，顯然，波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用雙口RAM是最合適的。雙口RAM中的一個(gè)端口與單片機(jī)總線相連，接受來自單片機(jī)的256字節(jié)波形數(shù)據(jù)，另一個(gè)端口與D/A轉(zhuǎn)換器相連。根據(jù)上述思路，可以得到圖4-3所示的DDS子系統(tǒng)頂層原理圖。圖中DLATCH8為8為地址鎖存器、frew為頻率字寄存器、PHASE-ACC為相位累加器、LMP-RAM-DP為雙口RAM：圖4-3 DDS子系統(tǒng)頂層原理圖（1） 波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的功能是：一方面，單片機(jī)能夠

33、通過并行總線將波形數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，另一方面，在相位累加器輸出地址控制下將波形數(shù)據(jù)依次送給高速D/A。在圖4-3所示的頂層原理圖中，波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用了雙端口RAM，一個(gè)端口與單片機(jī)并行總線相連，另一個(gè)端口與相位累加器和高速D/A相連。圖4-3中的雙口屬于簡(jiǎn)單的雙端口RAM，有一個(gè)獨(dú)立的寫端口和一個(gè)獨(dú)立的讀端口。對(duì)于寫端口來說，其信號(hào)來自單片機(jī)的并行總線。當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫指令時(shí)，并行總線上的數(shù)據(jù)，地址，寫信號(hào)通過同步時(shí)鐘CLK1的上升沿送入雙口RAM的存儲(chǔ)體，完成將波形數(shù)據(jù)寫入指定的存儲(chǔ)單元。對(duì)讀端口來說，其地址信號(hào)來自相位累加器輸出的高8位，讀使能信號(hào)直接接高電平，數(shù)據(jù)輸入送高速D

34、/A轉(zhuǎn)換器。讀端口的輸入輸出信號(hào)也是與同步時(shí)鐘CLK1同步。假設(shè)忽略器件延時(shí)，CLK0為DDS子系統(tǒng)的參考時(shí)鐘，雙口RAM同步時(shí)鐘CLK1由CLK0反向得到，高速D/A時(shí)鐘信號(hào)DACLK與CLK一樣。相位累加器的輸出地址在CLK0的上升沿時(shí)刻發(fā)生改變，由于CLK1與CLK0反相，保證在CLK1上升沿時(shí)刻，Addr31.24于穩(wěn)定狀態(tài)。雙口RAM的輸出數(shù)據(jù)DACD7.0在CLK1上升沿時(shí)刻發(fā)生改變，由于高速D/A的時(shí)鐘信號(hào)DACLK與CLK1反相，保證了DACLK上升沿時(shí)刻，DAC7.0處于穩(wěn)定狀態(tài)。（2）地址鎖存模塊C8051F360單片機(jī)P1口分時(shí)送出低8位地址和8位數(shù)據(jù)信息。通過FPGA部

35、設(shè)計(jì)一個(gè)8位鎖存器即可獲取低8位地址。地址鎖存器的VHDL程序?yàn)椋簆ort(clk:in std_logic; d:in std_logic_vector(7 downto 0); q:out std_logic_vector(7 downto 0);end DLATCH8;architecture one of DLATCH8 isbeginprocess(clk,d)beginif(clk='1')thenq<=d;end if;end process;（3）相位累加器模塊的設(shè)計(jì)相位累加器是DDS子系統(tǒng)的核心，由32位加法器與32位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，對(duì)代表頻率大小的

36、頻率控制字進(jìn)行累加運(yùn)算，輸出波形存儲(chǔ)器的地址。相位累加器的設(shè)計(jì)可以直接采用LPM宏單元庫(kù)中的LMP_ADD_SUB宏單元，也可以用VHDL語(yǔ)言自行設(shè)計(jì)。以下就是采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的相位累加器源程序：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity phase_acc isport( clk:in std_logic; -系統(tǒng)時(shí)鐘 freqin:in std_logic_vector(31 downto 0); -32位輸入頻率

37、字romaddr:out std_logic_vector(7 downto 0); -8位相位累加器輸出end phase_acc;architecture one of phase_acc issignal acc:std_logic_vector(31 downto 0);beginprocess(clk)beginif(clk'event and clk='1')thenacc<=acc+freqin; -頻率字累加，寄存end if;end process;romaddr<=acc(31 downto 24); -截?cái)噍敵鰁nd one;語(yǔ)句acc

38、<=acc+freqin實(shí)現(xiàn)頻率字累加功能，并且因?yàn)橐谙乱粫r(shí)鐘到來時(shí)才能進(jìn)行下一次累加，所以也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了累加寄存器功能。最后語(yǔ)句romaddr<=acc(31 downto 24)實(shí)現(xiàn)相位截?cái)嗟墓δ?，截取?2位相位地址碼的高8位。（4）頻率字寄存器模塊由于DDS的頻率字采用32位字寬，因此，頻率字寄存器由4個(gè)8位寄存器構(gòu)成。講地址譯碼器產(chǎn)生的片選信號(hào)CS2與地址信號(hào)A1、A0配合進(jìn)行再次譯碼就可以得到4個(gè)寄存器片選信號(hào)CS20CS23。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳送，片選信號(hào)CS20CS23必須與寫信號(hào)相或后送入寄存器時(shí)鐘輸入端。單片機(jī)通過4次寫操作將32位頻率字送到頻率字寄存器。頻率

39、字寄存器模塊的原理圖如圖4-4所示：圖4-4 頻率字接受模塊頂層圖4.5 單片機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)DDS信號(hào)發(fā)生器采用FPGA等硬件來完成高速波形的產(chǎn)生任務(wù)，其工作不需要單片機(jī)過多的干預(yù)。單片機(jī)子系統(tǒng)只需完成鍵盤輸入、液晶顯示、向FPGA傳送數(shù)據(jù)、輸出信號(hào)的幅值和直流偏移量的數(shù)字控制等功能。從軟件的總體結(jié)構(gòu)來看，單片機(jī)控制軟件是一種單線程、鍵盤功能的分支程序。4.5.1人機(jī)接口功能定義根據(jù)DDS信號(hào)發(fā)生器的功能設(shè)計(jì)了如圖4-5所示的3種LCD顯示頁(yè)面。頁(yè)面1為初始化顯示頁(yè)面，頁(yè)面2為波形選擇頁(yè)面，在給定頻率輸入頁(yè)面中，7個(gè)小方框所顯示的位置用于顯示輸入給定的頻率值。給定的頻率圍為0000000999

40、9999Hz。為了操作方便，允許輸入給定頻率的位數(shù)在17位之間，用Hz鍵結(jié)束。對(duì)于DDS信號(hào)發(fā)生器來說，鍵盤主要用于選擇信號(hào)波形、輸入頻率值、控制輸出信號(hào)的幅值和直流偏移量。由于按鍵數(shù)量比較多，鍵盤采用4X4矩陣式鍵盤。鍵盤各按鍵的定義如圖4-6所示。0鍵9鍵用于輸入頻率，期中0鍵3鍵還用于選擇輸出波形；Hz鍵用于輸入給定頻率的確認(rèn)鍵；波形選擇鍵用于選擇波形；A+鍵用于增加信號(hào)幅值，A-鍵用于減少信號(hào)幅值，D+鍵用于增加直流偏移量，D-鍵用于減少直流偏移量。頁(yè)面1 頁(yè)面2 頁(yè)面3圖4-5 頁(yè)面1頁(yè)面3示意圖圖4-6 DDS信號(hào)發(fā)生器鍵盤定義4.5.2主程序DDS信號(hào)發(fā)生器的控制程序可分為主程序

41、和鍵盤中斷服務(wù)程序兩部分。在確定主程序和鍵盤中斷服務(wù)程序的功能時(shí)有兩種方案：一種方案是主程序只完成初始化，將鍵盤讀入和處理全部由鍵盤中斷服務(wù)程序完成；另一種方案是主程序完成初始化和鍵值處理功能，而鍵盤中斷服務(wù)程序只完成鍵值讀入。由于鍵值處理程序設(shè)計(jì)數(shù)值運(yùn)算、LCD模塊的顯示，將這些耗時(shí)的鍵值處理程序放入中斷服務(wù)程序不符合程序設(shè)計(jì)的一般原則，因此，選用第二種方案。主程序首先完成堆棧指針設(shè)置，C8051F360部資源初始化，LCD模塊初始化。初始化完成以后就不斷檢測(cè)有無按鍵鍵入，當(dāng)有按鍵鍵入時(shí)，根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的功能。由于02鍵不但用于輸入給定頻率，而且用來選擇輸出波形。為了區(qū)分0鍵2鍵的不同功能

42、，在主程序中定義了兩種工作模式：波形選擇模式和頻率輸入模式。在波形選擇模式下，02鍵用于選擇輸出波形。當(dāng)0鍵有效時(shí)，選擇正弦波，單片機(jī)將256個(gè)字節(jié)正弦波波形數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA的雙口RAM中；當(dāng)1鍵有效時(shí)，選擇方波，單片機(jī)將256個(gè)方波波形數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA中的雙口RAM中；當(dāng)2鍵有顯示，選擇三角波，單片機(jī)將256個(gè)字節(jié)三角波數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA的雙口RAM中。在頻率輸入模式下，0鍵到9鍵用于輸入給定的頻率值。定義了以上兩種工作模式以后，在主程序中分別設(shè)置一個(gè)波形選擇模式標(biāo)志和一個(gè)頻率輸入模式標(biāo)志位。主程序初始化時(shí)，將波形選擇模式和頻率輸入模式標(biāo)志位均清零。當(dāng)波形選擇鍵有效時(shí)，波形選擇模式標(biāo)志位

43、置1，主程序進(jìn)入波形選擇模式；在波形選擇模式下，按0鍵2鍵有效，頻率輸入模式標(biāo)志位置1，主程序進(jìn)入頻率輸入模式。由于輸入給定頻率的位數(shù)允許在17位變化，程序設(shè)計(jì)師通過Hz鍵來結(jié)束給定頻率的輸入，因此Hz鍵不但用來顯示頻率的單位，也能起到確認(rèn)鍵的功能。當(dāng)Hz鍵有效時(shí)，程序?qū)⑤斎氲?7位給定頻率值轉(zhuǎn)化為4字節(jié)頻率控制字，然后發(fā)送到FPGA的頻率控制字接收模塊。由于鍵盤輸入的給定頻率值為非壓縮型BCD碼，應(yīng)先將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)，再根據(jù)公式（2-5）將給定頻率值轉(zhuǎn)化成為4字節(jié)的頻率控制字。當(dāng)相位累加器字寬N取32，參考時(shí)鐘頻率fclk取40MHz時(shí)，頻率控制字可以由以下公式計(jì)算得到：（4-4）式子中fout為由二進(jìn)制數(shù)表示的給定頻率，乘上系數(shù)107.374，就可以得到4字節(jié)的頻率控制字。單片機(jī)系統(tǒng)主程序見附件。主程序流程圖如圖4-7所示。圖4-7 系統(tǒng)主程序流程圖4.6 本章小結(jié)本章主要介紹了DDS信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)過程，開頭部分講述了包括DDS信號(hào)發(fā)生器的原理圖，材料選擇的比較以與重點(diǎn)模塊的介紹