基于FPGA的DDS信号发生器的设计
摘要：直接数字频率合成(DDS)技术,已成为频率合成技术的主流方向，现场可编程门阵列（FPGA）技术具有强大的硬件逻辑功能。文章主要阐述了DDS工作原理，基于FPGA的DDS信号发生器的主要环节。简单介绍了Altera的QurtusⅡ软件平台，通过硬件设计语言（VHDL）设计频率寄存器、加法器、相位寄存器等功能模块，并将各部件编译综合成一个元件的方法。实验证明，输出波形质量高，效果好。
关键词：数字显示示波器（DDS）信号发生器，现场可编程门阵列（FPGA），数控振荡器（NCO），只读存储器（ROM）
直接数字合成器,是采用数字技术的一种新型频率合成技术,他通过控制频率、相位增量的步长,产生各种不同频率的信号。他具有一系列的优点:较高的频率分辨率;可以实现快速的频率切换;在频率改变时能够保持相位的连续;很容易实现频率、相位和幅度的数控调制等。目前可采用专用芯片或可编程逻辑芯片实现DDS ,专用的DDS 芯片产生的信号波形、功能和控制方式固定,常不能满足具体需要。可编程逻辑器件具有器件规模大、工作速度快及可编程的硬件特点,并且开发周期短,易于升级,此非常适合用于实现DDS。
正弦交流信号是一种应用极为广泛的信号,它通常作为标准信号,用于电子线路的性能实验或参数测量。用作标准信号时,要求正弦信号必须有较高的精度、稳定度及较低的失真度。目前产生正弦信号的方法很多,但各种方法都难以克服的问题是正弦信号的频率稳定度。在通信系统中,从信号源产生的消息信号经过A/ D 转换,形成的是一种基带信号,具有较低的频率分量,一般不宜在信道中直接传输。因此,在通信系统的发送端通常需要有调制过程。所谓调制,就是按基带信号的变化规律控制载波某些参数的变化的过程。对不同的信道,根据经济、技术等因素,可以采用不同的调制方式。但无论采用何种调制方式,都需要用到正弦载波,而且在接收端进行解调时,需要用到同频同相的正弦载波。
信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波) 、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器的实现方法通常是采用分立元件或单片专用集成芯片,但其频率不高,稳定性较差,且不易调试,开发和使用上都受到较大限制。随着可编程逻辑器件(FPGA) 的不断发展,直接频率合成(DDS) 技术应用的愈加成熟,利用DDS 原理在FPGA 平台上开发高性能的多种波形信号发生器与基于DDS 芯片的信号发生器相比,成本更低,操作更加灵活,而且还能根据要求在线更新配置,系统开发趋于软件化、自定义化。本文研究了基于FPGA的DDS 信号发生器设计,实现了满足预定指标的多波形输出。随着数字技术在仪表和通信系统中的广泛应用，一种从参考频率源生成多种频率的数字控制方法应运而生，这种技术就是DDS（即直接数字合成）。DDS技术是一种从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字频率合成技术。目前，各大芯片制造厂商都相继推出采用先进CMOS工艺生产的高性能、多功能DDS芯片，为电路设计者提供了多种选择。然而在某些场合，专用DDS芯片在控制方式、置频速率等方面与系统的实际要求存在很大差距，这时可以采用高性能FPGA来设计符合具体需要的DDS电路。
直接数字频率合成技术是通过累加相位来合成所需波形的频率合成技术。利用DDS 设计的波形发生器具有精度高、稳定性好、频率和波形易于控制等优点。DDS 主要由参考时钟、相位累加器、波形存储器、数模转换器和滤波器组成。现场可编程门阵列 器件具有高速、高可靠性、高集成度和现场可编程等优点 近年来,DDS 技术在频率合成、通信、仪器测量领域均有广泛地应用。本文利用FPGA 开发工具MAXPLUS II 实现了DDS 波形发生器。
毕业设计说明书目录
1.引言 …………………………………………………………………………………3
2.DDS基本原理 …………………………………………………………………………4
3.方案论证 ………………………………………………………………………………4
4.电路设计和论证………………………………………………………………………5
4.1电源电路设计和论证……………………………………………………………5
4.1.1 方案一………………………………………………………………………5
4.1.2方案二…………………………………………………………………………5
4.1.3稳压电路的比较………………………………………………………………6
4.2各部分电路实现论证………………………………………………………………7
4.2.1 十进制频率控制原理………………………………………………………7
4.2.2 幅度控制原理………………………………………………………………9
4.2.3 DDS 系统设计………………………………………………………………9
4.2.4 单片机实现的功能…………………………………………………………11
4.2.5 FPGA 实现的功能………………………………………………………………11
4.2.6 D/ A 转换模块………………………………………………………………12
4.2.7键盘与显示模块…………………………………………………………………………13
4.3各芯片介绍…………………………………………………………………………14
4.3.1 AT80C51说明………………………………………………………………14
4.3.2 AD9708 芯片介绍…………………………………………………………17
4.3.3 8255芯片介绍……………………………………………………………19
5.软件设计………………………………………………………………………………………21
5.1主程序及流程图……………………………………………………………………21
5.1.1系统主程序流程图…………………………………………………………22
5.1.2各子程序流程图………………………………………………………………23
5.2程序…………………………………………………………………………………23
5.2.1主程序…………………………………………………………………………23
5.2.2 各子程序……………………………………………………………………25
6.软硬件系统的调试……………………………………………………………………28
6.1软件系统的调试…………………………………………………………………28
6.1.1频率控制字生成模块仿真与分析……………………………………29
6.1.2.相位累加器模块仿真与分析…………………………………………29
6.1.3.仿真结果及分析………………………………………………………29
6.2硬件系统的调试…………………………………………………………………30
7.附录……………………………………………………………………………………32
8.参考文献…………………………………………………………………………………33
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