【正文】 DPRAM）、 CAM（ Content Adderssable Memory）、 FIFO（ First In First Out）等常用存儲結(jié)構(gòu)。 FPGA 內(nèi)部嵌入可編程 哈爾濱工業(yè)大學 華德應(yīng)用技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計（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。查找表完成純組合邏輯功能；寄存器配置相當靈活，可配置為帶同 /異步復位 /置位、時鐘使能的觸發(fā)器或者配置為鎖存器。 （ 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)計靈活地改變其內(nèi)部連接與配置，完成不同的邏輯功能。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準和物理特性，調(diào)整匹配阻抗特性、上下拉電阻、輸出驅(qū)動電流大小等。 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。 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。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。最后介紹了 DDS 的優(yōu)缺點。其來源主要由三個：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。采用GaAS 工藝的 DDS 芯片工作頻率可達 2GHz 以上。 哈爾濱工業(yè)大學 華德應(yīng)用技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 DDS 的缺點 (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。當 DDS 的波形存儲器分別存放正弦和余弦 函數(shù)表時，即可得到正交的兩路輸出。 (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。目前，大多數(shù) DDS 的分辨率在 1Hz 數(shù)量級，許多小于 1mHz 甚至更小。 (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。時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時間越短。事實上，在 DDS 頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個時鐘周期后按照新的相位增量累加，才能實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。 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 波形存儲器 低通濾波器 頻率控制字 K 基準時鐘 CLK N 哈爾濱工業(yè)大學 華德應(yīng)用技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 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 )，但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計難度以及對輸出信號的散雜抑制，實際輸出帶寬仍可達到 40%fs。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（二進制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。這樣，相位累加器在時鐘脈沖作用下，不斷地對頻率控制字進行線性相位累加。每來一個時鐘脈沖，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。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)換時間和低相位噪聲的頻率信號，而且結(jié)構(gòu)簡單集成度高。 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。 在雷達中通過 DDS 和 P LL 相結(jié)合可以產(chǎn)生毫米波線性調(diào)頻信號， DDS 移相精度高、頻率捷變快和發(fā)射波形可捷變等優(yōu)點在雷達系統(tǒng)中也可以得到很好的發(fā)揮。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 制 相移 鍵 控 (BP sK) 和 正 交 相 移 鍵控(QPSK)。同時還具有AM、 FM、 PM、 SS B、 BPSK 、 FSK、 碎發(fā) 、 DTMF Generation 和DTMFDeteetion 的功能。同時也具備了 AM、 FM、 FSK、碎發(fā)、掃頻等功能。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。同時還可以產(chǎn)生 10mHz 一 5MHz 的任意波形。同時輸出波形的頻率分辨率、頻率精度等指標也有很大的提高。由于 DDS 的自身特點，還可以很容易的產(chǎn)生一些數(shù)字 調(diào)制信號，如 FSK、 PSK 等。 運用 DDS 技術(shù)生產(chǎn)的 DDS 任意波型信號發(fā)生器是較新的一類信號源，并且已經(jīng)廣泛投入使用。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。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一步提高。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 12bit。這些芯片還具有調(diào)制功能。如 AD700 AD9850、AD985 AD985 AD9858 等。 自 80 年代以來各國都在研制 DDS 產(chǎn)品，并廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。任意波在各個領(lǐng)域特別是在測量測試領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 （ 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。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。該指標與頻率合成所采用的技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)。頻率分辨率指兩個輸出頻率之間的 最小 間隔。 （ 2）頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，頻率合成器的實際輸出頻率與頻率標定值偏差的數(shù)值，可分為長期、短期和瞬時穩(wěn)定度。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。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、導航、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。 DDS 作為一種先進的信號產(chǎn)生技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(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。所以 DDS +P LL 式頻綜的頻 率切換時間取決于 P LL。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。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 工作的時鐘頻率較低，輸出帶寬窄。如果要提高切換速度就必須犧牲分辨率，這是 P LL 的工作機理所致，無法通過性能優(yōu)化來解決。 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， P LL 頻率合成儀 81 有特殊的優(yōu)勢。直接式頻率合成的輸出信號有相干和非相干兩種，可達微秒、亞微秒級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。 DDS 作為一 種先進的信號產(chǎn)生技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(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。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)字量形式的信號通過 DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號的合成技術(shù)。 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)。 鎖相環(huán)合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運算。直接頻率合 成中，基準信號通過脈沖形成電路，產(chǎn)生諧波豐富的窄脈沖。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)。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)的各個領(lǐng)域中得到廣泛的 應(yīng)用。量化的技術(shù)指標： (1)能夠輸出典型的方波，三角波，正弦波。 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、特點及輸出特性進行研究、分析； 2． 根據(jù) DDS 原理和特點，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)生器進行功能仿真并對仿真結(jié)果進行分析。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)。它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。 哈爾濱工業(yè)大學 華德應(yīng)用技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計（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)。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。 國內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較 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。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多 種功能。 (3 )隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。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。 (2 )與總線虛擬儀器系統(tǒng)（ VMEe Xtension for Instrumentation，簡稱： VXI）資源結(jié)合。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。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，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在 以下 幾個方面： (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。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。 90 年代末， 出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的波形發(fā)生器、但是HP 公司推出了型號為 HP 770S 的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A任意波形數(shù)字化和 HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。 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)生器的功能擴大，產(chǎn)生更加復雜的波形。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)生較為復雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復 雜。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，不僅可以模擬各種復雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進行 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、通訊和儀器儀表領(lǐng)域?；?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，同時可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復雜的調(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。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。不論是在生產(chǎn)還是在科研與教學上，波形發(fā)生器都是電子工程師信號仿真試驗的 最佳工具。它已廣泛應(yīng)用于通訊、雷達、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。這種技術(shù)由美國學者 ， 和 于 1971年首次提出，但限于當時的技術(shù)和工藝水平， DDS 技術(shù)僅僅在理論上進行了一些探討，而沒有應(yīng)用到實際中去。 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