基于FPGA的直接数字

本科毕业论文(设计)

题 目： 基于FPGA的直接数字

频率合成器设计

学 院： 自动化工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 2004级2班 姓 名： ########## 指导教师： ###########

2008年 6 月 2 日

基于FPGA的直接数字频率合成器设计

The Design of Direct Digital Frequency Synthesizer Based on FPGA

摘 要

设计由可编程逻辑阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）器件实现直接数字频率的合成器。直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。由于FPGA的自身特点，能够很容易在FPGA内部生成多个基本模块，从而开发出功能更强大的芯片。本文在对现有DDS技术的学习基础上，在FPGA器件上实现了基于DDS技术的信号源，并通过键盘控制其波形输出所需的控制字。方案利用QuartusⅡ开发工具在ALTERA公司的ACEX1K系列器件上进行了实现。 关键词 信号源 可编程逻辑阵列 直接数字频率合成器(DDS) 控制字

Abstract

The Design is based on FPGA (Field Programmable Gate Array) device to achieve direct digital frequency Synthesis. Direct Digital Synthesizer from the concept of phase synthesis necessary waveform. As the FPGA its own characteristics, can be easily generated in a number of basic internal FPGA module, which developed the more powerful chips. On a large number of investigation of existing research literature，the papers involves the proposed structure of the direct digital frequency synthesizer FPGA design. The Programmer uses the Quartus II development tool for designing the Altera ACEX1K series devices.

Keywords signal generator field programmable gate array(FPGA) DDS control words

青岛大学本科生毕业论文(设计) 目录

目 录

第1章 绪论 ........................................................................................................... 2

1.1 1.2

频率合成技术简介........................................................................................................... 2 课题研究意义 ................................................................................................................... 3

1.3 设计任务 ............................................................................................................................ 4 1.4 设计原理及思路 ................................................................................................................ 4 1.4.1 DDS工作过程 ............................................................................................................ 5 1.4.2 原理框图 ...................................................................................................................... 5

第2章 DDS系统电路的原理及设计 ................................................................... 6

2.1 系统框图 ............................................................................................................................ 6 2.2 具体实现原理分析和说明................................................................................................ 6 2.2.1 核心模块----相位累加器 ............................................................................................ 6 2.2.2 基于FPGA的 ROM查找表 ................................................................................... 12 2.2.3 模数转换 .................................................................................................................... 15 2.2.4 低通滤波输出电路 ................................................................................................... 16 2.3 2.4

软件验证及仿真 ............................................................................................................. 17 其他功能的设计 ............................................................................................................. 18

2.4.1 调频、调幅及调相 ................................................................................................... 18 2.4.2 其余波形的产生 ....................................................................................................... 18

第3章 器件选择及具体硬件电路 .................................................................... 19

3.1 芯片的选择与使用 .......................................................................................................... 19 3.2 设计硬件连接电路图 ...................................................................................................... 20

第4章

4.1 4.2

实验及开发系统 ................................................................................... 21

实验开发系统的选择 .................................................................................................... 21 演示程序及软件仿真 .................................................................................................... 23

4.3 实验过程与结果分析 ...................................................................................................... 25

总 结 ..................................................................................................................... 28 谢 辞 ..................................................................................................................... 29 参考文献 ................................................................................................................. 30

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青岛大学本科生毕业论文(设计) 绪论

第1章 绪论

1.1 频率合成技术简介

频率合成(Frequeney Synthesis)是指以一个或数个参考频率为基准，在某一频段内，综合产生并输出多个工作频率点的过程。基于这个原理制成的频率源称为频率合成器(Frequeney Synthesizer)。频率合成器被人们喻为众多电子系统的“心脏”，在空间通信、雷达测量、遥测遥控、射电天文、无线电定位、卫星导航和数字通信等先进的电子系统中都需要有一个频率高度稳定的频率合成器。一个性能优良的频率合成器应同时具备输出相位噪声低、频率捷变速度快、输出频率范围宽和捷变频率点数多等特点。频率合成器一般可分为直接式、间接式（锁相式）、直接数字式。

直接式频率合成器是最早出现最先使用的一种频率合成器。它是由一个或多个晶体振荡器经过开关转换、分频、倍频、混频、滤波得到所需要的频率。虽然提出的时间早，最初的方案也显得十分落后，但由于直接模拟合成具有频率捷变速度快，相位噪声低的主要优点而使之在频率合成领域占有重要的地位。这种方法的主要优点是频率转换时间短，理论上可产生任意小的频率间隔。主要缺点有频率范围有限、频率间隔不能太多、采用的大量倍频器、分频器和混频器等，增大了输出信号的噪声以及设备庞大，造价较高等。而且直接模拟频率合成器容易产生过多的杂散分量。随着集成技术和数字技术的发展，直接频率合成器的发展受到了限制。

间接式（锁相式）频率合成器有模拟和数字两种，分别为模拟间接式频率合器和数字间接式频率合成器。模拟间接式频率合成具有多种技术途径，如注入锁相振荡源，它是将一个外来基准信号源注入到被锁振荡器时，被锁振荡器所产生振荡的相位和外来基准信号的相位之差保持恒定，称为注入锁相。注入锁相振荡源，实质上是用频率稳定度高的小功率晶振倍频参考源去稳定高频大功率振荡器的频率。注入锁相的方案在很大程度上受到直接频率合成方案的影响，噪声抑制性能差及不能可靠入锁是其缺点。模拟间接式频率合成还有模拟环路锁相源，取样锁相振荡源等。锁频环频率合成器提供了另一种间接频率合成方法。与PLL不同，FLL频率稳定度取决于鉴频器中的无源色散元件如谐振子或延迟线的相位稳定度。同模拟PLL类似，FLL的频率切换也是靠VCO的粗调电压使频率落入相位的捕捉带内来实现。

数字锁相频率合成器是以数字锁相环为基础构成的锁相频率合成器。应用数字鉴相器和可编程数字分频器是数字锁相频率合成器有别于模拟锁相频率合成器的主要特征。利用可编程分频器，使被合成的频率都有合适的分频比，可得到频率间隔相等的频率。除了鉴相是在参考频率及VCO的分谐波频率下完成外，这一锁相环的工作原理与模拟环路锁相振荡源的工作原理类似。用数字指令改变分频比以完成频率切换。具有鉴频功能的数字鉴相

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