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基于FPGA来完成直接数字频率合成器(DDS)的设计
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更新于2023-03-16
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该信号发生器输出信号的频率范围为20Hz~20KHz,幅度的峰-峰值为0.3V~5V两路信号之间可实现0°~359°的相位差。
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摘要
在信号发生器的设计中,传统的用分立元件或通用数字电路元件设计电子线路的方法
设计周期长,花费大,可移植性差。本设计是利用EDA技术设计的电路, 该信号发生器输出
信号的频率范围为20Hz~20KHz,幅度的峰-峰值为0.3V~5V两路信号之间可实现0°
~359°的相位差。
侧重叙述了用FPGA来完成直接数字频率合成器(DDS)的设计,DDS由相位累加器和
正弦ROM查找表两个功能块组成,其中ROM查找表由兆功能模块LPM_ROM来实现。而
通过设定不同的累加器初值(K1)和初始相位值(K2),可以调节两路相同频率正弦信号之
间的相位差,从而产生两路数字式的频率、相位和幅值可调的正弦波信号,最后通过
MAX+plusII演示仿真结果。
与传统的频率合成方法相比,DDS合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率高、
相位变化连续等诸多优点。使用单片机灵活的控制能力与FPGA器件的高性能、高集成度
相结合,可以克服传统DDS设计中的不足,从而设计开发出性能优良的DDS系统。
关键词:单片机,现场可编程逻辑门阵列,直接数字频率合成,正弦信号发生器,硬件描
述语言
I
Abstract
I n t h e d e s ig n i ng o f t h e s i g n al gene r ato r, t h e tr a d i ti o n a l me t ho d , w h i c h d e s i gn s e l e c t r o n i c
cir c uit s u si n g d i s c re t e c o m p on e n t s o r g e n er a l di g i ta l ci r c u i t s c o m p on e n t s, t a k e s a l on g t i me
with high cost, what’s more, the transplanting ability of it is unsatisfactory. In this design, the
circuit is designed by means of EDA. Its output frequency range is 20Hz to 20KHz with an
output amplitude range of 0.3V to 5V(P-P), and the phase difference between two outputs of
the two sine signals can be modulated from 0°to 359°.
The thesis emphasizing discusses the designing of DDS basing on FPGA. DDS is made
up of the phrase accumulator and sine ROM looking-up table, which is realized by functional
EAB chip. And through setting different initial accumulator value (K1) and initial phrase value
(K2), the difference of phrase between the two sine signals can be changed. As a result, two
serials of sine signals with changeable digital frequency, phrase and magnitude are produced.
At last, we can show the total course and result with MAX+plusII.
C o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l m e t h o d s o f f r e q u e n c y s y n t h e s i z i n g, d i r e c t d i g i t a l f r e q u e n c y
s y n t h e s i z i n g (D D S ) h a s l o t s o f a d v a n t a g e s , s u c h a s s h o r t t i m e o f q u i c k f r e q u e n c y
exchanging, high frequency resolution, continuous phase changing, etc. Micro-control unit has
i s c h a r a c t e r i z e d b y. M a n y d r a w b a c k s c a n b e o v e r c o m e a n d a g o o d D D S s y s t e m w i t h g o o d
performance can be developed after combining the flexible control capability of micro-control
unit with high performance and integration of the FPGA devices in the same system.
Keywords: MCU, FPGA, DDS, ROM sine wave generator, VHDL
II
目录
摘要.........................................................................I
Abstract.................................................................II
1 绪言.....................................................................1
1.1 课题背景..................................................................................................1
1.2 课题研究的目的和意义...............................................................................1
1.3 国内外概况...............................................................................................2
1.4 课题的主要研究工作..................................................................................3
2 系统设计方案的研究...................................................4
2.1 系统的性能要求.........................................................................................4
2.2 系统实现的原理.........................................................................................5
2.2.1 DDS的基本原理.....................................................................................5
2.2.2 FPGA实现的直接数字频率合成器.............................................................6
2.2.3 移相原理...............................................................................................7
2.3 系统实现方案分析与比较............................................................................8
2.3.1 频率合成器方案......................................................................................8
2.3.2 移相方案.............................................................................................10
2.3.3 存储器方案..........................................................................................10
2.3.4 存储器寻址方案....................................................................................11
3 总体设计..............................................................12
3.1 FPGA设计DDS电路的具体实现.................................................................12
3.1.1 相位累加器部分....................................................................................12
3.1.2 相位/幅度转换电路...............................................................................12
3.1.3 波形表生成..........................................................................................13
3.1.4 D/A转换电路.......................................................................................13
3.1.5 系统控制电路.......................................................................................13
3.2 单片机与FPGA的接口设计........................................................................13
3.3现场可编程逻辑器件(FPGA)的选择.........................................................15
3.4 其他电路设计..........................................................................................16
3.4.1 晶体振荡电路.......................................................................................16
3.4.2 地址计数脉冲产生电路..........................................................................17
3.4.3 幅度控制电路.......................................................................................17
3.4.4 单片机外扩展存储器电路.......................................................................18
3.4.5 滤波、缓冲输出电路.............................................................................18
3.4.6 键盘和显示控制电路.............................................................................19
III
4 系统的实现...........................................................20
4.1 系统的计算与仿真...................................................................................20
4.1.1 系统频率、相位和幅度的计算.................................................................20
4.1.2 系统仿真.............................................................................................21
4.2 单片机的编程实现...................................................................................22
5 总结与展望...........................................................24
致谢......................................................................25
参考文献.................................................................26
附录 1...................................................................28
附录2....................................................................29
附录3....................................................................32
IV
1 绪言
1.1 课题背景
在一些电子设备的电路板故障检测仪中,往往需要频率、幅度都能由计算机自动调
节的信号源。采用诸如MAX038信号发生器芯片外加电阻及切换开关等器件虽然也能调
节频率和幅度,但这种调节是离散的,且电路复杂,使用不方便
[1]
。而采用直接数字合
成芯片DDS及外加D/A转换芯片构成的可控信号源,可产生正弦波、调频波、调幅波及
方波等,并且其信号的频率和幅度可由微机来精确控制,调节非常方便。
另外随着21世纪的到来,人类正在跨入信息时代。现代通信系统的发展方向是功能
更强,体积更小,速度更快,功耗更低。而大规模可编程器件CPLD/FPGA在集成度、功
能和速度上的优势正好满足通信系统的这些要求。所以今天无论是民用的移动电话、程
控交换机、集群电台、广播发射机和调制解调器,还是军用的雷达设备、图形处理仪器、
遥控遥测设备、加密通信机中,都已广泛地使用大规模可编程器件
[2]
。由于数字技术在处
理和传输信息方面的各种优点,数字技术和数字集成电路的使用已经成为构成现代电子
系统的重要标志。
电子系统的集成化,不仅可使系统的体积小、重量轻且功耗低,更重要的是可使系
统的可靠性大大提高。因此自集成电路问世以来,集成规模便以10倍/6年的速度增长。
从20世纪90年代初以来,电子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化。为满足个人电
脑、无绳电话和高速数据传输设备的发展需求,电子厂商们越加迫切地追求电子产品的
高功能、优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸
[3]
。为达到此目标,必须采用少量的
IC器件使面积尽可能小。
1.2 课题研究的目的和意义
正弦信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器,广泛应用于航空航天测控
通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。随着电子信息技术的发展,对其
性能的要求也越来越高,如要求频率稳定性高、转换速度快,具有调幅、调频、调相等
功能,另外还经常需要两路正弦信号不仅具有相同的频率,同时要有确定的相位差
[4]
。
随着数字信号处理和集成电路技术的发展,直接数字频率合成(DDS)的应用也
越来越广泛。DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连
续、可以实现多种数字与模拟调制的优点,而可编程门阵列(FPGA)具有集成度高、通
用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点,因此可以快速地完成
复杂的数字系统。由于模拟调相方法有生产性差、调试不方便、调制度控制不精确等缺
1
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