【正文】 級，有一些是全局性的專用布線資源，用以完成器件內(nèi)部的全局時(shí)鐘和全局復(fù)位 /置位的布線；一些叫做長線資源，用以完成器件 Bank間的一些高速信號和一些第二全局時(shí)鐘信號的布線，也稱為 Low Skew信號的布線；還有一些叫做短線資源，用以完成基本邏輯單元之間的邏輯互聯(lián)與布線。 FPGA 內(nèi)部嵌入可編程 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） 14 RAM 模塊，大大地拓展了 FPGA 的應(yīng)用范圍和使用靈活 性。 （ 2）基本可編程邏輯單元 基本可編程邏輯單元（ LE）是可編程邏輯器件的主體，可以根據(jù)設(shè)計(jì)靈活地改變其內(nèi)部連接與配置，完成不同的邏輯功能。 FPGA 的基本組成部分有可編程輸入 /輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式 RAM 塊、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元等。它是作為專用集成電路 (ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。其來源主要由三個(gè)：相 位累 加器 相 位舍 入 誤差 造成 的 散雜 ；幅 度 量化 誤 差造 成的 散 雜和 DAC 非理想特性造成的散雜。 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） 12 DDS 的缺點(diǎn) (l)輸出帶寬范圍有限 由于 DDS 內(nèi)部 DAC 和波形存儲器 (ROM)的工作速度有限，使得 DDS輸出的最高頻率有限。 (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(shí)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(shí)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。事實(shí)上，在 DDS 頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期后按照新的相位增量累加，才能實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器（ ROM）的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器就將頻率控制字 K 與累加器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。 DDS一般由相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器組成 ,結(jié)構(gòu)框圖如下圖 21 所示。通過 DDS 可以比較容易的產(chǎn)生一些通信中常用的調(diào)制信號如 :頻移鍵控 (FSK ) 、 二 進(jìn) 制 相移 鍵 控 (BP sK) 和 正 交 相 移 鍵控(QPSK)。同時(shí)也具備了 AM、 FM、 FSK、碎發(fā)、掃頻等功能。同時(shí)還可以產(chǎn)生 10mHz 一 5MHz 的任意波形。由于 DDS 的自身特點(diǎn)，還可以很容易的產(chǎn)生一些數(shù)字 調(diào)制信號，如 FSK、 PSK 等。而不是之前型號的 32 位，這樣輸出信號的頻率分辨率大大提高了。這些芯片集成度高內(nèi)部都集 成了 D/A 轉(zhuǎn)換器，精度最高可達(dá) 12bit。如 AD700 AD9850、AD985 AD985 AD9858 等。任意波在各個(gè)領(lǐng)域特別是在測量測試領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。雜散又稱寄生信號，分為諧波分量和非諧波分量，主要由頻率合成過程中的非線性失真產(chǎn)生，也有頻率合成器內(nèi)外干擾的影響，還與頻率合成方式有關(guān)；相位噪聲是瞬間頻率穩(wěn)定度的頻域表示，在頻譜上表現(xiàn)為主譜兩邊連續(xù)噪聲邊帶。頻率分辨率指兩個(gè)輸出頻率之間的 最小 間隔。對頻率合成器的基本要求是既要合成所需頻率，又要保證信 號的 純凈。 DDS 作為一種先進(jìn)的信號產(chǎn)生技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如信號源儀器，測量分析儀器，通訊，數(shù)字信號處理，工業(yè)控制，軟件無線電等。其中 DDS 與 P LL 頻率合成混合應(yīng)用最為廣泛，基本原理就是利用 DDS 的輸出作為 P LL 的參考輸入，來解決頻率分辨率和相噪的矛盾。由于受數(shù)字器件工作速度的限制，特別是數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 DAC 的限制，使得 DDS 工作的時(shí)鐘頻率較低，輸出帶寬窄。 P LL 頻率合成利用了相位反饋控制 原理來穩(wěn)頻，在對頻率切速度要求不高，但對相噪、雜散有較高要求時(shí)， P LL 頻率合成儀 81 有特殊的優(yōu)勢。 DDS 作為一 種先進(jìn)的信號產(chǎn)生技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如信號源儀器，測量分析儀器，通訊，數(shù)字信號處理，工業(yè)控制，軟件無線電等。 1972 年 emey 和 der 等人首次提出了 DDS 的概念，DDS 或 DDFS 是 Direct Digital Frequency synthesis 的簡稱通常將此視為第三代頻率合成技術(shù)。直接頻率合 成中，基準(zhǔn)信號通過脈沖形成電路，產(chǎn)生諧波豐富的窄脈沖。頻率合成技術(shù)是近代通信系統(tǒng)的重要組成部分，在無線電技術(shù)與電子系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的 應(yīng)用。 本文研究主要內(nèi)容 本論文的主要內(nèi)容如下： 1． 對 DDS 的原理、特點(diǎn)及輸出特性進(jìn)行研究、分析； 2． 根據(jù) DDS 原理和特點(diǎn)，利用 FP GA 開發(fā) DDS 模塊 3． 利用 Q uartus II 和 ModelS im 軟件對 DDS 波形發(fā)生器進(jìn)行功能仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵(lì)源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實(shí)際需要。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編 輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多 種功能。由于 VXI 總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI 系統(tǒng)測量產(chǎn)生復(fù)雜的波形， VXI 的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā) VXI 模塊的周期長，而且需要專門的 VXI 機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI 模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。不久以后， Analogic 公司推出了型號為 Data2020 的多波形合成器， Lecroy 公司生產(chǎn)的型號為 9100的任意波形發(fā)生器等。 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。波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行 通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。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。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。 關(guān)鍵詞 ： 直接數(shù)字頻率合成 現(xiàn)場可編程門陣列 波形發(fā)生器 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） II Abstract Waveform generator has bee a modern field test one of the most widely used general purpose equipment, on behalf of the waveform generator development. With the development of technology in all aspects of the waveform generators have bee increasingly demanding. In recent years, direct digital synthesizers (DDS ) has a frequency resolut ion because of its high frequency conversion speed, continuous changes in the phase characteristics in digital munication systems have been widely used in modern frequency synthesis technology to bee the leader in . F ield programmable gate array (FP GA) design flexibility, high speed, in digital AS IC design has been widely used, due to fieldprogrammable gate array (FP GA) with high integration, high speed, large capacity memory can be realized functional characteristics, can effectively achieve DDS technology, which greatly improve the performance of waveform generator and reduce production costs. This paper introduces the DDS waveform generator of the research background and DDS theory. Then a detailed account of the pletion of DDS module with FP GA design process, using Verilog HDL Hardware Description Language Design DDS waveform generator for each module and finally the use of Altera39。 本文首先介紹了 DDS 波形發(fā)生器的研究背景和 DDS 的理論。 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） I 摘 要 波形 發(fā)生 器己 成為 現(xiàn)代 測試 領(lǐng) 域應(yīng) 用最 為廣 泛的 通用 儀器 之一，代表了 波形 發(fā)生器 的發(fā)展方向?，F(xiàn)場可編程門陣列（ FP GA）設(shè)計(jì)靈活、速度快，在數(shù)字專用集成電路的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用 ， 由于現(xiàn)場可編程門陣列 (FP GA)具有高集成度、高速度、可實(shí)現(xiàn)大容量存儲器功能的特性，能有效地實(shí)現(xiàn) DDS 技術(shù)，極大的提高 波形 發(fā)生器的性能，降低生產(chǎn)成本。通過 仿真 結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定的要 求，并證明了采用軟硬件結(jié)合，利用 FPGA 技術(shù)實(shí)現(xiàn) DDS 波形發(fā)生器的方法是可行的。近 30 年來，隨著超大規(guī)模集成、現(xiàn)場可編程門陣列 (F ield P rogrammable Gate Array，簡稱：FPGA)、復(fù)雜可編程器件 (Complex programmable Logic Device，簡稱：CPLD)等技術(shù)的出現(xiàn)以及對 DDS 理論上的進(jìn)一步探討，使得 DDS 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。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(shí)輸出波形相位連續(xù)等。 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） 2 國內(nèi)外波形發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀 波形發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀 波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。 同時(shí)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào) 節(jié)，因此很難將頻 率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。 HP8770A 實(shí)際上也只能產(chǎn)生 8 種波形，而且價(jià)格昂貴。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。目前，波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺式儀器和適用于個(gè)人 計(jì)算機(jī)的插卡以及新近開發(fā)的 VXI 模塊。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強(qiáng)?？梢娦盘栐丛诟鞣N實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和試驗(yàn)測試處理中，它的應(yīng)用非常廣泛。就目前國內(nèi)的成熟產(chǎn)品來看，多為一些 PC 儀器插卡，獨(dú)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。 (2)輸出量化位數(shù)： 8 位 (3) 輸出頻率≤ 2MHz 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） 5 第 2 章 DDS 波形發(fā)生器理論介紹 頻率合成技術(shù) 頻率合成技術(shù)的發(fā)展和分類 頻率合成就是以一個(gè)或幾個(gè)參考源為基準(zhǔn)，產(chǎn)生多個(gè)頻率的過程。直接模擬合成法利用倍頻 (乘法 )、分頻 (除法 )、混頻 (加法與減法 )及濾波，從單一或幾個(gè)參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需頻率。該方法結(jié)構(gòu)簡單、便于集成，且頻譜純度高，目前使用比較廣泛，但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，一般只能用于小步進(jìn)頻率合成技術(shù)中。目前使用最廣泛的一種 DDS 方式是利用 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） 6 高速存儲器作查尋表，