【正文】 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 題 目 ： 基于 FPGA 的 直接數(shù)字 頻率合成器設(shè)計(jì) 學(xué) 院 ： 自動(dòng)化工程學(xué)院 專 業(yè) ： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)： 2021 級(jí) 2 班 姓 名 ： 指導(dǎo)教師 ： 2021 年 6 月 2 日 基于 FPGA 的直接數(shù)字頻率合成器設(shè)計(jì) The Design of Direct Digital Frequency Synthesizer Based on FPGA 摘 要 設(shè)計(jì)由 可編程邏輯陣列 FPGA（ Field Programmable Gate Array） 器件 實(shí)現(xiàn) 直接數(shù)字頻率的合成器。直接數(shù)字頻率合成器（ Direct Digital Synthesizer） 是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。由于 FPGA的自身特點(diǎn)，能夠很容易在 FPGA內(nèi)部生成多個(gè)基本 模塊，從而開(kāi)發(fā)出功能更強(qiáng)大的芯片。 本文在對(duì)現(xiàn)有 DDS技術(shù)的 學(xué)習(xí) 基礎(chǔ)上，在 FPGA器件上實(shí)現(xiàn)了基于 DDS技術(shù)的信號(hào)源 ，并通過(guò)鍵盤控制其 波形 輸出所需 的控制字。方案利用 QuartusⅡ開(kāi)發(fā)工具在 ALTERA公司的 ACEX1K系列器件上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞 信號(hào)源 可編程邏輯陣列 直接數(shù)字頻率合成器 (DDS) 控制字 Abstract The Design is based on FPGA (Field Programmable Gate Array) device to achieve direct digital frequency Synthesis. Direct Digital Synthesizer from the concept of phase synthesis necessary waveform. As the FPGA its own characteristics, can be easily generated in a number of basic internal FPGA module, which developed the more powerful chips. 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 ACEX1K series devices. Keywords signal generator field programmable gate array(FPGA) DDS control words 青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 目錄 1 目 錄 第 1 章 緒論 ....................................................................................................... 2 頻率合成技術(shù)簡(jiǎn)介 ........................................................................................................... 2 課題研究意義 ................................................................................................................... 3 設(shè)計(jì)任務(wù) ............................................................................................................................ 4 設(shè)計(jì)原理及思路 ................................................................................................................ 4 DDS 工作過(guò)程 ............................................................................................................. 5 原理框圖 ...................................................................................................................... 5 第 2 章 DDS 系統(tǒng)電路的原理及設(shè)計(jì) ................................................................. 6 系統(tǒng)框圖 ............................................................................................................................ 6 具體實(shí)現(xiàn)原理分析和說(shuō)明 ................................................................................................ 6 核心模塊 相位累加器 ............................................................................................ 6 基于 FPGA 的 ROM 查找表 ................................................................................... 12 模數(shù)轉(zhuǎn)換 .................................................................................................................... 15 低通濾波輸出電路 .................................................................................................... 16 軟件驗(yàn)證及仿 真 ............................................................................................................. 17 其他功能的設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 18 調(diào)頻、調(diào)幅及調(diào)相 .................................................................................................... 18 其余波形的產(chǎn)生 ........................................................................................................ 18 第 3 章 器件選擇及具體硬件電路 .................................................................. 19 芯片的選擇與使用 .......................................................................................................... 19 設(shè)計(jì)硬件連接電路圖 ...................................................................................................... 20 第 4 章 實(shí)驗(yàn)及開(kāi)發(fā)系統(tǒng) ................................................................................ 21 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的選擇 ..................................................................................................... 21 演示程序及軟件仿真 ..................................................................................................... 23 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析 ...................................................................................................... 25 總 結(jié) ................................................................................................................. 28 謝 辭 ................................................................................................................. 29 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 30 青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 緒論 2 第 1 章 緒論 頻率合成技術(shù)簡(jiǎn)介 頻率合成 (Frequeney Synthesis)是指以一個(gè)或數(shù)個(gè)參考頻率為基準(zhǔn)，在某一頻段內(nèi)，綜合產(chǎn)生并輸出多個(gè)工作頻率點(diǎn)的過(guò)程?；谶@個(gè)原理制成的頻率源稱為頻率合成器(Frequeney Synthesizer)。 頻率合成器被人們喻為眾多電子系統(tǒng)的“心臟”，在空間通信、雷達(dá)測(cè)量、遙測(cè)遙控、射電天文、無(wú)線電定位、衛(wèi)星導(dǎo)航和數(shù)字通信等先進(jìn)的電子系統(tǒng)中都需要有一個(gè)頻率高度穩(wěn)定的頻率合成器 。一個(gè)性能優(yōu)良的頻率合成器應(yīng)同時(shí)具備輸出相位噪聲低、頻率捷變速度快、輸出頻率范圍寬和捷變頻率點(diǎn)數(shù)多等特點(diǎn)。 頻率合成器一般可分為直接式、間接式（鎖相式）、直接數(shù)字式 。 直接式頻率合成器是最早出現(xiàn)最先使用的一種頻率合成器。它是由一個(gè)或多個(gè)晶體振蕩器經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換、分頻、倍頻、混頻、濾波得到所需要的頻率。雖然提出的時(shí)間早，最初的方案也顯得十分落后，但由于直接模擬合成具有頻率捷變速度快，相位噪聲低的主要優(yōu)點(diǎn)而使之在頻率合成領(lǐng)域占有重要的地位。 這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，理論上可產(chǎn)生任意小的頻率間隔。 主要缺點(diǎn)有 頻率范圍有限、頻率間隔不能太多、采用的大量倍頻器、分頻器和混頻器等，增大了輸出信號(hào)的噪聲以及設(shè)備龐大，造價(jià)較高等。 而且直接模擬頻率合成器容易產(chǎn)生過(guò)多的雜散分量。 隨著集成技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，直接頻率合成器的發(fā)展受到了限制。 間接式（鎖相式）頻率合成器有模擬和數(shù)字兩種，分別為模擬間接式頻率合器和數(shù)字間接式頻率合成器。模擬間接式頻率合成具有多種技術(shù)途徑，如注入鎖相振蕩源，它是將一個(gè)外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)源注入到被鎖振蕩器時(shí)，被鎖振蕩器所產(chǎn)生振蕩的相位和外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)的相位之差保持恒定，稱為注入鎖相。注入鎖相振蕩源，實(shí)質(zhì)上是 用頻率穩(wěn)定度高的小功率晶振倍頻參考源去穩(wěn)定高頻大功率振蕩器的頻率。注入鎖相的方案在很大程度上受到直接頻率合成方案的影響，噪聲抑制性能差及不能可靠入鎖是其缺點(diǎn)。模擬間接式頻率合成還有模擬環(huán)路鎖相源，取樣鎖相振蕩源等。鎖頻環(huán)頻率合成器提供了另一種間接頻率合成方法。與 PLL不同， FLL頻率穩(wěn)定度取決于鑒頻器中的無(wú)源色散元件如諧振子或延遲線的相位穩(wěn)定度。同模擬 PLL類似， FLL的頻率切換也是靠 VCO的粗調(diào)電壓使頻率落入相位的捕捉帶內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 數(shù)字鎖相頻率合成器是以數(shù)字鎖相環(huán)為基礎(chǔ)構(gòu)成的鎖相頻率合成器。應(yīng)用