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FPGA技术实验报告
基于FPG的直接频率合成器设计
1.1 背景与意义 1
2. 设计简介 1
2.1 DDS技术 1
2.2 FPGA简介 2
2.3 VHDL简介 4
2.4 QuartusⅡ简介 5
3. 系统硬件电路设计 5
3.1 数字信号发生器的系统组成 5
3.2 设计原理及要求 6
3.3 输入部分 7
3.3.1频率、幅值和波形转换部分 7
3.4 FPGA部分 9
3.5 D/A转换部分 9
3.5.1 DAC0832转换器简介 11
4. 系统软件设计 12
4.1软件系统流程图 12
4.2主要函数语句分析 12
4.3 数字信号发生器的软件设计 13
4.4软件各模块 14
4.4.1波形发生器 14
4.4.2 主控制模块 15
4.4.3 波形数据产生模块 15
4.4.4波形产生模块 17
5. 设计总结 19
1.1 背景与意义
信号发生器是一种常用的信号源，广泛运用于科学研究、生产实践和教学试验等领域。特别是在通信系统的科研实验中，常常需要用到不同频率和幅度的信号，如正弦波、三角波、方波和锯齿波等。作为一种为电子测量和计量提供电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最普通、最基本，也是运用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都需要用到信号发生器。
凡是能产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。
本课题的主要研究内容是参考直接数字频率合成原理（DDS）技术[6]，利用Quartus II9.0软件作为平台，VHDL语言作为开发语言，基于FPGA配合相应外围电路实现一个数字信号发生器，其电路结构简单，容易扩展，具有极大的灵活性和方便性，实现了产生频率可调的正弦波、三角波、方波的信号发生器。
2. 设计简介
2.1 DDS技术
DDS与大多数的数字信号处理技术一样，它的基础仍然是奈圭斯特采定理。奈圭斯特采样定理
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直接数字频率合成器设计53
直接数字频率合成器设计；TheDesignofDirectDigital；摘要；利用可编程逻辑阵列FPGA（FieldProgr；关键词直接数字频率合成器单片机数模转换温度漂移补；Abstract；Themainfeaturesofrealiza；KeywordsDDSMCUDACTempera；目录；前言......................；第1章
直接数字频率合成器设计The Design of Direct Digital Frequency Synthesizer摘
要利用可编程逻辑阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）实现DDS专用电路芯片，主要特点是能满足用户对特殊功能的要求，而且在使用过程中也灵活地改变系统结构。商用DDS专用芯片虽然为电路设计者提供了很多机会并满足了很多场合的需要.但是也有它的局限性，并不能满足所有的要求。本文在对现有DDS技术的大量文献调研的基础上，提出了符合FPGA结构的DDS设计。方案利用QuartusⅡ开发工具在ALTERA FLEX10K系列器件上进行了实现。关键词 直接数字频率合成器 单片机 数模转换 温度漂移补偿AbstractThe main features of realization of dedicated direct digital frequency synthesizer circuit chips using FPGA are the ability to meet user requirements for special functions, but also flexibility change structural of the system in the use of the process. Although commercial DDS dedicated chip circuit provide a lot of opportunities for the designers and meet the needs of many occasions, there are its limitations and cannot meet all the requirements. On a large number of investigation of existing research literature，the papers involves the proposed structure of the direct digital frequency synthesizer FPGA design. The Programmer uses the Quartus II development tool for designing the Altera FLEX10K series devices.Keywords
Temperature drift compensation 目
言 ....................................................................................................................... 1第1章
设计思路及原理 ...................................................................................... 21.1
研究意义 ............................................................................................................................ 21.2
总体设计任务 .................................................................................................................... 21.3
设计思路及原理 ................................................................................................................ 31.3.1
DDS工作原理框图 .................................................................................................... 31.3.2
具体工作过程 ............................................................................................................. 3第2章
系统电路的设计及原理 .......................................................................... 52.1
系统框图 ............................................................................................................................ 52.2
各模块具体实现原理分析和说明 ................................................................................... 52.2.1
相位累加器模块 ......................................................................................................... 52.2.2
ROM查找表模块 ..................................................................................................... 102.2.3
单片机输入输出控制模块 ....................................................................................... 122.2.4
温漂误差补偿 ........................................................................................................... 132.2.5
D/A转换模块 ............................................................................................................ 182.2.6
滤波输出电路模块 ................................................................................................... 192.3
软件仿真结果 .................................................................................................................. 19第3章
硬件电路的构建 .................................................................................... 213.1
FPGA芯片的选择与使用 .............................................................................................. 213.2
硬件连接电路图 .............................................................................................................. 23第4章 实验开发系统系统 ............................................................................... 254.1
实验开发系统的选择与使用 ......................................................................................... 254.2
实验过程与结果分析 ...................................................................................................... 27 总
结 .................................................................................... 错误！未定义书签。 谢
辞 .................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 ................................................................................................................. 30前
言频率合成技术是现代电子系统中非常关键的技术。在通信、雷达、导航和电子战方面，都需要在一个很宽的频率范围内以快捷的速度提供大量高精度、高稳定度的频率信号。现实应用的频率合成技术主要有直接频率合成法、锁相频率合成法、直接数字频率合成法。直接频率合成法采用单个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准信号源，经过具有加减乘除四则运算功能的混频器、倍频器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合成。这种方法的主要优点是频率转换时间短，理论上可产生任意小的频率间隔。主要缺点有频率范围有限、频率间隔不能太多、采用的大量倍频器、分频器和混频器等，增大了输出信号的噪声以及设备庞大，造价较高等。随着集成技术和数字技术的发展，直接频率合成器的发展受到了限制。锁相频率合成法基于锁相环路的同步原理，是从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器综合出大量离散频率的一种技术。它由基准频率产生器提供一个高稳定度的参考频率，锁相环路利用其良好的窄带跟踪特性，使频率准确的锁定在参考频率或其N次谐波频率上。当锁相环路 (PLL)达到稳定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦波，则压控振荡器的输出信号频率与输入信号频率相等，它们之间的相位差为一常值。这种状态为环路的锁定状态。这种方法的优点是结构简单，输出频率纯度高，易于得到大量的离散频率，虽然锁相环频率合成技术发展非常快，应用也很广泛，但其频率转换速度不快，分辨率低，电路和微机控制复杂。1971年，美国学者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold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方法。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有技术相比，故未受到重视。近30年间，随着集成电路技术和器件水平的提高，直接数字频率合成技术DDS（Direct Digital Frequency Synthesizer）得到了飞速的发展，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佼佼者[1]。直接数字频率合成器的基本优点是在微处理器的控制下，能够准确而快捷地调节输出信号的频率、相位和幅度。由于应用全数字的大规模集成技术，除了具有体积小、价格低、频率分辨率高、快速换频，易于智能控制等突出特点此外，DDS还具有频率和相位分辨率高、频率切换速度快、易于智能控制等突出特点。这些特点使新出现的DDS技术已经成为频率合成技术的理想的解决方案之一。 第1章
设计思路及原理1.1
研究意义随着现代电子技术的高速发展，常用的晶体振荡器无法满足电子业日新月异的发展和要求，因为，尽管晶体振荡器能提供高稳定度的振荡频率，但其频率值是单一的，最多只能在很小的频段内进行微调。DDS具有较高的频率分辨率，可实现快速的频率切换且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。因此，在现代通信领域，直接数字频率合成器的应用越来越广泛，在数字化的调制解调模块中，DDS取代了VCO（模拟的压控振荡器）而被大量应用。随着微电子技术的飞速发展，目前市场上性能优良的DDS产品不断推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司单片电路。虽然这些专用DDS芯片的功能也比较多，但控制方式却是固定的，因此不一定是我们所需要的。而利用可编程逻辑门阵列FPGA（Field Programmable Logic Gate Array）则可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。就合成信号质量而言，专用DDS芯片由于采用特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小，可以输出高质量的模拟信号；利用 FPGA也能输出较高质量的信号，虽然达不到专用DDS芯片的水平，但信号精度误差在允许范围之内。[2]就本例而言，我们的设计要求功能灵活，而且尽可能的留下扩展的空间，我们固然可以应用专用的DDS芯片来实现，但是采用FPGA来实现,不仅能够让我们尽可能的熟悉可编程器件的选择，而且能使我们熟悉硬件描述编程语言VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）和相关的开发环境。DDS是现今一种重要的频率合成手段，高速集成电路的发展进一步改善了DDS的性能，它与传统技术相结合组成的各种混合设计方案将频率源的性能提升到了一个新的水平，因此，未来的DDS不仅可应用于需要使用信号源的传统领域，而且也必将开拓出许多新的应用领域。1.2
总体设计任务设计一个基于FPGA的直接数字频率合成系统。设计目标为：可以实现稳定的正弦波输出，输出最高频率256KHz，且频率可调，工作温度范围：-40℃～65℃，且能够实现温度漂移的补偿。包含各类专业文献、幼儿教育、小学教育、行业资料、各类资格考试、专业论文、外语学习资料、直接数字频率合成器设计53等内容。　
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高跳速宽频带低相噪直接数字频率合成器设计.pdf56页
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频率源是跳频通信系统的关键部件之一,其性能直接影响到通信质量。论文
结合跳频通信系统工程要求,研究高跳速宽频带低相噪频率合成器设计相关技术
和实现问题。利用了 DDS高分辨率、输出频率稳定性好和 PLL的相位噪声低、杂
散小、分频频率高的特点,将直接数字频率合成技术DDS和锁相环技术PLL结
合设计并实现了一种高跳速宽频带低相噪频率合成器。其主要工作和成果:
1、 分析了换频时间及其频率稳定度、频率分辨率、相噪噪声等关键参数的要
求,提出压控振荡器(VCO)三段设计方案,在 VHF段实现 357MHZ 带宽的调频
源,该调频源成一个独立模块,可通过改变控制软件和 VCO模块,无需重制印制
板,就能更改带宽以满足新的工程需要。具有设计简单、调试方便、节约生产成
本、缩短开发周期和便于工程实现的优点。
2、 分析了 PLL环路中的鉴相分频器,运放等器件的性能对系统的影响,根据
相关指标确定了器件类型,选用了专门器件,设计了环路滤波器。在电路实现上
引入了抗干扰技术,保证了系统参数的实现。
该频率源经一年的生产使用表明,设计达到了工程应用要求。
关键字: 直接数字频率合成,锁相环,压控振荡器,跳频速
Stable frequency source is a very important portion in wireless hopping
communication. The output of frequency synthesizer affects communication quality of
the hopping communication system. My design is to design a direct digital frequency
source with high hopping wideband and low noise based on engineering requirementDirect digital frequency synthesis DDS and the phase-lock loop PLL are used to
design the frequency synthesizer because DDS can provide stable frequency and high
frequency precision and PLL can provide low phase noise, good spurious emission
attenuation and high frequency used for division.
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直接数字频率合成器毕业设计.doc39页
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攀枝花学院本科毕业设计(论文)
直接数字频率合成器
学生姓名: 袁 帅
学生学号: ZJSJ02103
电气信息工程学院
02电子信息工程
指导教师: 范
二??六年六月
技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件,选用现场可编程器件FPGA作为目标器件,可利用其高速、高性能及可重构性,根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能。本设计给出了基于FPGA芯片的直接数字频率合成器(DDS)的设计方法。因为微电子技术的不断发展,开发者能很容易地将整个应用系统实现在一片FPGA中,从而实现片上系统(SoC)。因此,用FPGA实现DDS就有了更广泛的现实意义,并在现代通信系统中具有良好的实用性。
本设计在介绍DDS工作原理的基础上,运用EDA技术,使用FPGA来实现一个DDS,频率控制字和相位控制字由凌阳单片机来完成。
关键词 :直接数字频率合成器,现场可编程门阵列(FPGA),相位累加器,数/模转换器,凌阳单片机
The realization of technology depends on the high-speed , high-performance digital device, select to use on-the-spot programming device FPGA as the goal device, it can utilize its high speed , high performance and can reconstructing,it last various complicated frequency modulation, last looks and amplitude modulation function according to need conveniently. Originally design the design method to provide direct digital frequency synthesizer DDS
based on FPGA chip. Because of the constant development of the microelectric technique, the developer can employ the system to realize in a slice of FPGA entirely very much easily , thus it is systematic SoC
to realize on slice. So realize with FPGA DDS have extensive realistic meaning , and have good practicability in the modern communi
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