【正文】 定，若采樣點數(shù)為 X，則最高輸出頻率為 Xff clko ?max, （ 42） 頻率分辨率 頻率分辨率由下式?jīng)Q定： Nclkff 2?? （ 43） 在此式中，當(dāng) N 取值足夠大時， DDS 信號可以達(dá)到很高的信號分辨率。 在本設(shè)計中選用方案二。而采用單片機(jī) +FPGA 實現(xiàn)的 DDS 信號發(fā)生器則是將波形數(shù)據(jù)存儲器改為 FPGA 上的RAM 行存儲器，波形信號能實時改變，在利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制和處理后，能實現(xiàn) DDS 任意波形發(fā)生器，功能更加完善，更新更加方便。 第 4 章 系統(tǒng)實現(xiàn) 設(shè)計要求 采用 DDS 技術(shù)設(shè)計一個信號發(fā)生器，其原理框圖如圖 41 所示： 圖 41 DDS 信號發(fā)生器原理框圖 設(shè)計要求如下： 具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形； 輸出信號頻率范圍 1Hz~5MHz，重復(fù)頻率 可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔小于等于 1Hz； 輸出信號幅值范圍 ~10V（峰 峰值），信號幅值和直流偏移量可數(shù)控調(diào)節(jié)； 具有穩(wěn)幅輸出功能，當(dāng)負(fù)載變化時，輸出電壓幅度變化不大于 177。這種方法的優(yōu)點是可以充分利用現(xiàn)有的設(shè)計資源。這些 LPM 模塊和IP 核都大大簡化了設(shè)計過程，縮短了開發(fā)周期。 Quartus II 幾乎支持 Altera 現(xiàn)行的所有 FPGA，在該集成開發(fā)環(huán)境中可以實現(xiàn)電路的設(shè)計 、綜合、適配到最后形成下載文件以及在線配置 FPGA，還能對電路進(jìn)行功能仿真，對適配后形成的最終電路進(jìn)行時序仿真。當(dāng)需要修 改 FPGA 功能時，只需換一片 EPROM即可。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。 FPGA工作原理 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個部分。在發(fā)展過程中，以 FPGA 為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成取 得了驚人的發(fā)展：現(xiàn)場可程序化邏輯組件從最初的 1200 個可利用邏輯閘，發(fā)展到 90 年代的 25 萬個可利用邏輯閘。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 DDS 的原理。目前市場上采用 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。 (5)輸出波形的靈活性 只要在 DDS 內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(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。 (3)頻率分辨率高 若時鐘 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。 圖 21 DDS 正弦信 號發(fā)生器基本原理框圖 DDS 信號的優(yōu)點與缺點 DDS的優(yōu)點 (l)輸出頻率相對帶寬較寬 輸出頻率帶寬為 50%fs(理論值 )，實際輸出帶寬仍可達(dá)到 40%fs。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，輸出的正弦信號頻率越高。而正弦信號的幅值就是正弦信號的當(dāng)前相位值的函數(shù)。當(dāng)參考時鐘頻率取 2N 時 ，正弦信號的頻率就等于頻率控制字 M。 對于一個頻譜純凈的單頻正弦信號可以用下式來描述： （ 21） 其相位為 )π2(s i ns i n outout tfAtAS ?? ?tfoutπ2?? （ 22） 顯然，該正弦信號相位和幅值均為連續(xù)變量。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)。第四章是本問重點 介紹的對象，里面主要包含了設(shè)計的具體思路包括系統(tǒng)的實現(xiàn) 以及系統(tǒng)工作流程情況。就目前國內(nèi)的成熟產(chǎn)品來看，多為一些 PC 儀器插卡，獨立的儀器和 VXI 系統(tǒng)的模塊很少，并且我國目前在波形發(fā)生器的種類和性能都與國外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。 研究波形發(fā)生器的目的及意義 波形發(fā)生器是信號源的一種，主要給被測電路提供所需要的己知信號 (各種波形 )，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù) [8]。 早在 1978 年，由美國 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 (存儲長度 )波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為 8bit，主要用于振動、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號源，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。 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，同時也推動了波形發(fā)生器的發(fā)展， 2020 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， 2020 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) 。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。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)越來越不能滿足現(xiàn)代電子測量的需要，正逐步退出歷史舞臺。 DDS 的數(shù)字部分，即相位累加器和查表，被稱為數(shù)控振蕩器（ NCO） [4]。 它是由美國人 首先提出來的 ,是一種以數(shù)字信號處理理論為基礎(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]。在頻率合成領(lǐng)域中 ,直接數(shù)字合成 (Direct Digital Synthesizer，簡稱： 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。它已廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、遙控測試、電子對抗、以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等許多領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展 ，現(xiàn)代電子測量工作對波形發(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，輸出頻率范圍寬，輸出頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度及分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度快且頻率轉(zhuǎn)換時輸出波形相位連續(xù)等。這個時期的波形發(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、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。 HP8770A 實際上也只能產(chǎn)生 8 種波形，而且價格昂貴。 信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、測控、電 子對抗以及現(xiàn)代化儀器儀表等領(lǐng)域，是一種為電子測量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號設(shè)備，和示波器、電壓表、頻率計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量都 要用到波形發(fā)生器 [6]。目前我國已經(jīng)開始研制信號發(fā)生器，并 獲得了可喜的成果，但總的來說，我國波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)，并且我國目前在波形發(fā)生器的的種類和性能都與國外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫 [7]。但總的來說，我國波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)。第三章則重點介紹了本次設(shè)計所采用的開發(fā)平臺。從 1971 年至今， DDS 已從一個工程新事物逐漸發(fā)展成為一個重要的設(shè)計工具。 本節(jié)以正弦信號的產(chǎn)生為例，闡述 DDS 技術(shù)的基本原理。通過改變 M 的大小，就可以改變輸出正弦信號的頻率，因此， M 也稱頻率控制字。 c lkoutc lkout π2π2 f fTf ????c lkOUT222 ffM NN ???? ??Mff N ?? 2clkoutNff 2clk??? ? ? ?MMAfMMAAS kkN ???????? ????? ??? 1s i n11kout 22s i n)(s i n ??? 從式（ 27）可以看出，只要用頻率控制字 M 進(jìn)行簡單的累加運算，就可以得到正弦函數(shù)的當(dāng)前相位值。將當(dāng)前的相位值作為 ROM 的