【正文】 scheduled requirements and proof of use of hardware and software bination of the use of FP GA technology to achieve DDS waveform generator approach is feasible. Ke ywords： DDS FPGA Waveform Generator 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目 錄 摘 要 ............................................................................................ Ⅰ Abstract...................................................................................... Ⅱ 第 1 章 緒論 ..................................................................................... 1 課題背景 ............................................................................ 1 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀 ..………………………………… 2 波形發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀 ………………………………… .2 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較 .................................... 4 研究波形發(fā)生器的目的及意義 ………… ……………… 5 本文研究主要內(nèi)容 ……………………………………………… 5 第 2 章 DDS 波形發(fā)生器理論介紹 ..................................................... 6 頻率合成技術(shù) ..................................................................... 6 頻率合成技術(shù)的發(fā)展和分類 …………………………… .6 頻率合成技術(shù)的技術(shù)指標(biāo) ……………………………… .7 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用 ………………… 8 DDS 的原理 及性能 特點(diǎn) ………………………………………… 9 DDS 的基本原理 ....……………………………………… .9 DDS 的優(yōu)點(diǎn) ....……………………… …………………… 11 DDS 的缺點(diǎn) ……………………………………………… .12 本章小結(jié) …………………………………………………………… ...12 第 3 章 FPGA 及其開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 ...................................................13 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（ FPGA）簡(jiǎn)介 .……………………… .… ...13 Quartus II 集成開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 ………………………… ..… 15 ModelS imHDL 語(yǔ)言仿真軟件 簡(jiǎn)介 ……………… …………… .16 Verilog HDL 語(yǔ)言簡(jiǎn)介 ………………………………………… ..17 FP GA 開發(fā)流程 ………………………………………………… ..19 本章小結(jié) ……………………………………………………………… .19 第 4 章 DDS 波形發(fā)生器的 FP GA 實(shí)現(xiàn) ..........................................20 DDS 波形發(fā)生器的 FP GA 設(shè)計(jì)流程 ………………………… ..20 DDS 波形發(fā)生器模塊劃分 …………………………………… ...22 DDS 波形發(fā)生器頂層模塊 ……………………………… .22 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV DDS 波形發(fā)生器測(cè)試模塊 …………………………… ..23 DDS 波形發(fā)生器 ROM 模塊 …………………………… 25 DDS 波形發(fā)生器功能仿真 …………………………………… .25 本章小結(jié) .............................................................................27 結(jié) 論 ............................................................................................ 28 致 謝 ............................................................................................ 29 參考文獻(xiàn) ........................................................................................ 30 附錄 1 譯文 ................................................................................... 31 附錄 2 英文參 考資料 ..................................................................... 33 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 課題背景 直接數(shù)字頻率合成 (Direct Digital S ynthesizer，簡(jiǎn)稱： DDS )技術(shù)是一種新的全數(shù)字的頻率合成原理，它從相位的角度出發(fā)直接合成所需波形。然 后 詳 盡 地 敘 述 了 用 FP GA 完成 DDS 模 塊 的 設(shè) 計(jì) 過 程 ， 利 用Verilog HDL 硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì) DDS 波形發(fā)生器的各個(gè)模塊，最后利用 Altera 的設(shè)計(jì)工具 Q uartus II 并 結(jié)合 Modelsim 軟件 對(duì)波形發(fā)生器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)功能仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析 。 隨著科技的發(fā)展，對(duì) 波形 發(fā)生器各方面的要求越來越高。近年來 ,直接數(shù)字頻率合成器（ DDS）由于其具有頻率分辨率高、頻率變換速度快、相位可連續(xù)變化等特點(diǎn) ,在數(shù)字通信系統(tǒng)中已被廣泛采用而成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。仿真 結(jié)果表明，波形發(fā)生器 可輸出正弦波、三角波、方波、鋸齒波， 并且可通過改變頻率控制字和相位控制字的大小來改變輸出波形的頻率和相位。這種技術(shù)由美國(guó)學(xué)者 ， 和 于 1971年首次提出，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和工藝水平， DDS 技術(shù)僅僅在理論上進(jìn)行了一些探討，而沒有應(yīng)用到實(shí)際中去。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?；?FPGA 的 DDS波形發(fā)生器，由于可以獲得很高的頻率穩(wěn)定度和精確度，同時(shí)可以根據(jù)需要方便地實(shí)現(xiàn)各種比較復(fù)雜的調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，因此發(fā)展非常迅速，尤其是最近隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用更是有了質(zhì)的飛躍。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。 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 HP 770S 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。由上面的產(chǎn)品可以 看出 ，波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來，國(guó)際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在 以下 幾個(gè)方面： (1)過 去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波 形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。 (2 )與總線虛擬儀器系統(tǒng)（ VMEe Xtension for Instrumentation，簡(jiǎn)稱： VXI）資源結(jié)合。 (3 )隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較 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、及生產(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。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 研究波形發(fā)生器的目的及意義 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)。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)。量化的技術(shù)指標(biāo)： (1)能夠輸出典型的方波，三角波，正弦波。目前頻 率 合 成 主 要 有 三 種 方 法 : 直接模擬合成法 (D ir ec t sim u lat ion Frequeneysy nth es is) 、 鎖 相 環(huán) 合 成 法 (Ph ase loc k ed lo op F requeney synthes is 即 P LL) 和 直 接 數(shù) 字 合 成 法 (Direet Digital F requeney S ynthesis)。 鎖相環(huán)合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運(yùn)算。這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，還可以用 DDS 方法產(chǎn)生任意波形，它是把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過 DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)的合成技術(shù)。直接式頻率合成的輸出信號(hào)有相干和非相干兩種，可達(dá)微秒、亞微秒級(jí)的頻率切換速度直接式頻率合成技術(shù)的主要特色，相噪低也是它的優(yōu)點(diǎn)。如果要提高切換速度就必須犧牲分辨率，這是 P LL 的工作機(jī)理所致，無法通過性能優(yōu)化來解決。由上面分析可知，雖然這三種頻率合成方式都可以在某些指標(biāo)上獲得理想的效果，但沒有一種方式可以滿足所有的技術(shù)要求。所以 DDS +P LL 式頻綜的頻 率切換時(shí)間取決于 P LL。頻率合成技術(shù)是產(chǎn) 生頻 率源的一種現(xiàn)代化手段，在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播電視、電子偵察、電子 干擾 與反干擾及現(xiàn)代儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用。 （ 2）頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器的實(shí)際輸出頻率與頻率標(biāo)定值偏差的數(shù)值，可分為長(zhǎng)期、短期和瞬時(shí)穩(wěn)定度。該指標(biāo)與頻率合成所采用的技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)。 （ 6）調(diào)制性能 調(diào)制性能是指頻率合成器的輸出是否具有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控、掃 頻、猝發(fā)等功能。 自 80 年代以來各國(guó)都在研制 DDS 產(chǎn)品，并廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。這些芯片還具有調(diào)制功能。如 這些 芯片中大多采用了流水技術(shù)，通過流水技術(shù)的使用，提高了相位累加器的工作頻 率， 從而使得 DDS 芯片的輸出頻率可以進(jìn)一步提高。 運(yùn)用 DDS 技術(shù)生產(chǎn)的 DDS 任意波型信號(hào)發(fā)生器是較新的一類信號(hào)源，并且已經(jīng)廣泛投入使用。同時(shí)輸出波形的頻率分辨率、頻率精度等指標(biāo)也有很大的提高。采樣率 40M，還具備了調(diào)制功能，可以產(chǎn)生 AM、 FM、 F sK、碎發(fā)、掃頻等信號(hào)。同時(shí)還具有AM、 FM、 PM、 SS B、 BPSK 、 FSK、 碎發(fā) 、 DTMF Generation 和DTMFDeteetion 的功能。 在雷達(dá)中通過 DDS 和 P LL 相結(jié)合可以產(chǎn)生毫米波線性調(diào)頻信號(hào)， DDS 移相精度高、頻率捷變快和發(fā)射波形可捷變等優(yōu)點(diǎn)在雷達(dá)系統(tǒng)中也可以得到很好的發(fā)揮。這種頻率合成方法可以獲得高精度頻率和相位分辨率、快速頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和低相位噪聲的頻率信號(hào)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單集成度高。這樣，相位累加器在時(shí)鐘脈沖作用下，不斷地對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。 圖 22 DDS 相位累加器 N 位累加器 N 位寄存器 N 頻率控制字 K 相位累加器 D/A轉(zhuǎn)換器 波形存儲(chǔ)器 低通濾波器 頻率控制字 K 基準(zhǔn)時(shí)鐘 CLK N 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 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 )，但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計(jì)難度以及對(duì)輸出信號(hào)的散雜抑制，實(shí)際輸出帶寬仍可達(dá)到 40%fs。時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。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。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。采用GaAS 工藝的 DDS 芯片工作頻率可達(dá) 2GHz 以上。最后介紹了 DDS 的優(yōu)缺點(diǎn)。 FPGA 在通信、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)、儀器、工業(yè)控制、軍事和航空航天等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了使 FPGA 有更靈活的應(yīng)用，目前大多數(shù) FPGA 的 I/O 單元被設(shè)計(jì)成可編程模式，通過軟件的靈活配置，可以適配不同的電氣標(biāo)準(zhǔn)和物理特性，調(diào)整匹配阻抗特性、上下拉電阻、輸出驅(qū)動(dòng)