【導(dǎo)讀】隨著科技的發(fā)展，對波形發(fā)生。近年來,直接數(shù)字頻率合成器由。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,現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計靈活、速度快，在數(shù)字專用集。地實現(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。本文首先介紹了DDS波形發(fā)生器的研究背景和DDS的理論。器進行電路設(shè)計功能仿真，并對仿真結(jié)果進行分析。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。件結(jié)合，利用FPGA技術(shù)實現(xiàn)DDS波形發(fā)生器的方法是可行的。

　　

【正文】 簡單，而且 FPGA 芯片還支持在系統(tǒng)現(xiàn)場升級，雖然在精度和速度上略有不足，但也 能基本滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)的使用要求。另外，將 DDS 設(shè)計嵌入到 FPGA 芯片所構(gòu)成的系統(tǒng)中，其系統(tǒng)成本并不會增加多少，而購買專用芯片的價格則是前者的很多倍。因此，采用 FPGA 來設(shè)計 DDS 系統(tǒng)具有很高的性價比。 DDS 波形發(fā)生器的 FPGA 設(shè)計流程 用 FPGA 可以非常方便的實現(xiàn) DDS 系統(tǒng)的數(shù)字電路環(huán)節(jié)，且可現(xiàn)場編程進行電路的修改。在 DDS 系統(tǒng)中， FPGA 的主要完成 :(l)保存頻率字 ； (2)保存相位字 ； (3)構(gòu)成相位累加器，產(chǎn)生波形 ROM 的地址 ； (4)形成波形 ROM。 下圖 3— 1 為利用 F P GA 設(shè)計 DDS 波形發(fā) 生器的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)可實現(xiàn)標準的方波、三角波和正弦波輸出。其中相位累加器是一個帶有累加功能的加法器，它以設(shè)定的頻率控制字作為步長來進行加法運算，當其和滿時清零，并進行重新運算，相位寄存器它主要作用是接受發(fā)送來的相位控制字數(shù)據(jù)并進行寄存，當下一個時鐘到來時，輸入寄存的數(shù)據(jù)，對輸出波形的頻率和相位進行控制。波形 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（論文） 21 存儲器是 DDS 的關(guān)鍵部分，設(shè)計時首先需要對時域波形進行采樣，將采樣的波形數(shù)據(jù)儲存到波形存儲器 RO M 中，每一個地址對應(yīng)一個波形點的數(shù)值。整個系統(tǒng)各模塊實在基準時鐘信號 C LK 的控制下協(xié)調(diào)工作的。 圖 41 DDS 波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖 頻率字 寄存器 頻率字 累加器 尋址 累加器 波形 存儲器 相位字 寄存器 控制字 寄存器 基準時鐘 CLK 頻率控制字 相位控制字 波形控制 字 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（論文） 22 DDS 波形發(fā)生器模塊劃分 DDS 波形發(fā)生器頂層模塊 module dds( Clk, Rst_n, En, Loc k, phase, K, data_sin, )。 input Clk。 input Rst_n。 input En。 input Loc k。 input [7:0] K。 input [7:0] phase。 output [31:0] data_sin。 reg [8:0] addr。 reg [7:0] K_buf。 w ire [8:0] addr_t。 alw ays@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(~Rst_n) K_buf = 0。 else if(Loc k) K_buf = K。 end alw ays@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(~Rst_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（論文） 23 addr = 0。 else if(En) addr = addr + K_buf。 end assign addr_t = addr + phase。 sin_rom uut1( .addr(addr_t), .En(En), .data_o(data_sin) )。 endmodule DDS 波形發(fā)生器測試模塊 module dds_tb()。 reg Clk。 reg Rst_n。 reg Loc k。 reg En。 reg [7:0] K。 reg [7:0] phase。 w ire [31:0] data_sin。 w ire [31:0] data_saw 。 dds uut1( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Loc k(Loc k), .phase(phase), .En(En), .K(K), .data_sin(data_sin), )。 initia l begin 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（論文） 24 Clk = 0。 Rst_n = 1。 En = 0。 phase = 0。 10 Rst_n = 0。 @(negedge Clk)。 @(negedge Clk) Rst_n = 1。 @(negedge Clk) Loc k = 1。 K = 1。 @(negedge Clk) Loc k = 0。 @(negedge Clk) En = 1。 30000 @(negedge Clk) phase = 200。 30000 @(negedge Clk) Loc k = 1。 K = 10。 @(negedge Clk) Loc k = 0。 30000 $stop。 end alw ays 5 Clk = ~Clk。 endmodule 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（論文） 25 DDS 波形發(fā)生器 ROM 模塊 module sin_rom( addr, En, data_o )。 input [8:0] addr。 input En。 output [31:0] data_o。 reg [31:0] mem[0:511]。 initia l begin $readmemh(sin_r ,m em)。 end assign data_o = En ? mem[addr] : 0。 endmodule DDS 波形發(fā)生器功能仿真 DDS 波形發(fā)生器各個模塊設(shè)計好以后，利用 Modelsim 軟件進行功能 仿真 ，得到 4 種波形功能仿真波形圖如圖 4 4 44 和 45所示。 圖 42 正弦波的 Modelsim 功能仿真波形 圖 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（論文） 26 圖 43 方波的 Modelsim 功能仿真波形圖 圖 44 三角波的 Modelsim 功能仿真波形圖 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（論文） 27 圖 45 鋸齒波的 Modelsim 功能仿真波形圖 以上 圖中 K 為頻率控制字， phase 為相位控制字，波形的頻率隨著頻率控制字 K 的改變而改變，波形的相位隨著相位控制字 phase 的改變而改變。 本章小結(jié) 本章首先介紹了 DDS 波形發(fā)生器各個模塊的程序代碼 ，接著用Modelsim 軟件 對 DDS 波形發(fā)生器 進行 了功能 仿真 ，得到了正弦波、方波、三角波和鋸齒波四種波形，并對仿真結(jié)果進行了分析。 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（論文） 28 結(jié) 論 本文結(jié)合 DDS 波形發(fā)生器的設(shè)計和實現(xiàn)，從理論和實際兩個方面，對數(shù)字直接頻率合成技術(shù)進行了研究。經(jīng)過 三個多月 的研究，完成了預(yù)定的設(shè)計任務(wù)，在對 DDS 波形發(fā)生器的研究中，本設(shè)計主要工作及成果如下所示： 1．分析了頻率合成技術(shù)的基本問題，介紹了各種傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)。并重點介紹了 直接 數(shù)字頻率合成技術(shù)； 2．研究了基于 DDS 原理利用 FPGA 的具體實現(xiàn)波形發(fā)生器的設(shè)計方法，并完成了設(shè)計任務(wù)； 3．通過硬件編程方式完成了 FPGA 芯片的 DDS 功能設(shè)計； 4．完成波形發(fā)生器的參數(shù)測試及功能驗證。 本設(shè)計完成了預(yù)定的所有功能，但由于時間倉促，本設(shè)計還有許多需要完善和改進的地方。下面列出幾條改進意見： 1．增加查找表的深度，這樣可以增加輸出波形頻率范圍：提高頻率分辨率；能夠采集頻率更高的波形，減少波形再生誤差和雜散噪聲； 2．本設(shè)計中能方便用戶控制的波形種類有限，對于任意波形的輸入控制，可利用現(xiàn)有的 FPGA 中的 ROM 資源來存儲波形周期數(shù)據(jù)，另外還可利用內(nèi)部資源來創(chuàng)建 RAM 來存儲波形 ,，并且借助編程語言編寫軟件，利用單片機的串口與上位機通信來實現(xiàn)任意波形的周期數(shù)據(jù)送入 FPGA。 所以，本設(shè)計的各項功能指 標還有待完善。但是，通過實驗證明了本設(shè)計的設(shè)計思想和設(shè)計方法是切實可行的。尤其是采用軟硬件編程相結(jié)合以及加深 FPGA 部分的設(shè)計方法無疑是本設(shè)計的一大特點，值得進一步探索和研究。 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（論文） 29 致 謝 四 年的 大學(xué) 生活很快就要結(jié)束了，在 四 年當中我取得的所有成績和收獲 都離 不開那些曾經(jīng)給予我指導(dǎo)和幫助的人們。在此，謹向所有關(guān)心我學(xué)業(yè)的老師、 同學(xué) 、家人和朋友表示衷心的感謝。 本次 畢業(yè) 設(shè)計能夠順利完成，與系里諸位老師的幫助 是分不開的，在此，我要表示深深的感謝。感謝學(xué)校給我們提供了這么好的一個實踐的機會，感謝各位老師為我們 的畢業(yè)設(shè)計所提供的方便，如果沒有你們的幫助和耐心指導(dǎo)，我們的畢業(yè)設(shè)計不會如此順利完成的。 此外，我要特別感謝我的指導(dǎo)教師 王暕來 老師，感謝王 老師對我 的細心指導(dǎo)，王老師的熱情幫助和耐心指導(dǎo)是本次 畢業(yè) 設(shè)計得以順利完成的基礎(chǔ)， 王老師 不僅以他淵博的學(xué)識、敏銳超前的學(xué)術(shù)意識使我在學(xué)術(shù)方面受益匪淺，而且，他謙遜待人、嚴謹治學(xué)的作風以及對工作認真負責的態(tài)度還給我樹立了做人的榜樣。 這是我從王老師身上學(xué)到的極其珍貴的一點，我相信這將使我受益終身。 最后衷心感謝我的父母和親人，是他們多年來 在我 求學(xué)的道路上給予我始終如一的關(guān)心和支 持，使我充滿信心的完成了學(xué)業(yè)。在未來的工作中，我一定不辜負這些曾經(jīng)給予我關(guān)心和幫助的師長、父母和家人的殷切期望，盡職盡責地做好我的工作 ！ 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（論文） 30 參考文獻 [1] 郭軍朝， 直接數(shù)字頻率合成研究及其 FP GA 實現(xiàn) ： [碩士論文 ]，上海：上 海 交通大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)， 2020 [2] 張厥勝、曹麗娜，鎖相與頻率合成技術(shù)，成都：電子科技大學(xué)出版社， 1995 [3] 姜萍、王建新、吉訓(xùn)生， F PGA 實現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成器，電子技術(shù)應(yīng)用， 28(5)： 4344， 2020 [4] 潘志浪，基于 F PGA 的 DDS 信號源設(shè)計 ： [碩士論文 ]，武漢：武漢 理工大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)， 2020 [5] 潘景良，程控任意波形功率驅(qū)動電源的研制： [碩士論文 ]，南京：南京理工大學(xué)測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)， 2020 [6] Saul P H, Direct frequency synthesisa review of techniques and potential, IEEE 15th International Conference on Radio Receivers and Associated System Landom,UK,1900,59 [7] 姜雪松、張海風，可編程邏輯 器件和 EDA 設(shè)計技術(shù)，北京：機械工業(yè)出版社， 2020 [8] 王城、吳繼華等， Altera FP GA/CP LD 設(shè)計（基礎(chǔ)篇），北京：人民郵電出版社， 2020 [9] 謝亮，基于 FP GA 的 DDS 實現(xiàn)的幾種方式，科技廣場， (8)：105106， 2020 [10] 王杰、馬玲、劉葦娜、王子旭，基于 DSP Builder 的 DDS 設(shè)計及其 FPGA 實現(xiàn)，現(xiàn)代電子技術(shù)， 29(14)： 1113， 2020 [11] 盧青、丁恩杰、張余鋒， DSP Builder 在基于 FP GA 的 DS P 設(shè)計中的應(yīng)用，工礦自動化， (z1)： 99101， 2020 [12] 張海亮 、趙行波、王亮、周祖成，基于 F PG