基于DDS技术的信号发生器

现代电子学实验报告

实验题目： 基于DDS技术的信号发生器 姓 名： 陈 思

年 级： 2010级 电子信息科学与技术 指导教师： 马 莉 完成日期： 2013.10.10 原创性声明

本人声明本实验报告涉及的电路图、程序代码均为自己设计，没有抄袭他人的成果。

特此声明！ 声明人： 摘

要 ...................................................................................................................................... 1

1. 实验目的 ......................................................................................................................... 2

2. 实验原理及内容 ............................................................................................................. 2

2.1 实验的总体结构 .................................................................................................. 2 2.2 实验的理论基础和原理 ....................................................................................... 3 3. 实验内容 ......................................................................................................................... 4

4. 实验设计与测试 ............................................................................................................. 5

4.1 频率控制模块 ....................................................................................................... 5 4.2 按键选择模块 ....................................................................................................... 7 4.3 正弦波信号产生模块 ........................................................................................... 8 4.4 总体测试 ............................................................................................................ 13 5. 实验结论与测试 ........................................................................................................... 14

参考文献 ............................................................................................................................ 15 摘要

函数信号发生器简介

在频率合成(Fs，Frequency Synthesis)领域中，直接数字合成(Direct Digital Synthesis—DDS)是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。因其精度高、变换频率快、输出波形失真小成为优先选用技术。具体体现在频带宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、

可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D／A变换器产生所需的数字波形(通常是正弦波形)，这个数字波形经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。 函数信号发生器在生产实践和科技领域有着广泛的应用。本设计是采用了EDA技术设计的函数信号发生器。此函数信号发生器的实现是基于VHDL语言描述各个波形产生模块，然后在QuartusⅡ软件上实现波形的编译，仿真和下载到Cyclone芯片上。

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基于DDS技术的信号发生器

1. 实验目的

1. 掌握DDS频率合成原理 ； 2. 掌握正弦信号产生的原理 ；

3. 掌握MCU8951 IP核合成任意频率脉冲信号的设计；

4．掌握给定一个频率字或相位字用按键改变频率合成正弦信号的设计。 5. QuartusⅡ软件上实现波形的编译，仿真和下载到Cyclone芯片上。 2. 实验原理

2.1 实验的总体结构 电路图

直接数字频率合成器DDS的组成见图

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图1 DDS原理简图

它由相位累加器、只读存储器(ROM)、数模转换器(DAC)及低通平滑滤波器(LPF)构成.在时钟脉冲的控制下，频率控制字K由累加器累加得到相应的相码，相码寻址ROM进行相码-幅码变换输出不同的幅度编码，再经过数模变换器得到相应的阶梯波，最后经低通波器对阶梯波进行平滑，即得到由频率控制字K决定的连续变化的输出波形。

2.2 实验的理论基础和原理

DDS是以数控振荡器的方式产生频率、相位和幅度可控制的信号波形。电路结构包括基准时钟、相位累加器、幅度/相位转换电路（ROM）、D/A转换器

（DAC）和低通滤波器，系统时钟CLK由一个稳定的晶体振荡器产生，它用于同步频率合成器的各个部分。相位累加器是DDS的核心，它由N位加法器和N位相位寄存器级联构成，完成相位累加工作。每输入一个时钟脉冲CLK，加法器将输入的N位频率控制字和相位寄存器输出的累加相位数据相加，产生新的相位数据，并送至相位累加器的输入端。然后，相位寄存器将新相位数据反馈到加法器的输入端，使加法器在下一个时钟的作用下继续产生新的相位数据。当相位寄存器溢出时，将整个相位累加器置零，从而完成一个周期性的输出。相位累加器的溢出频率即为DDS的合成输出信号频率。

性能指标：1.输出带宽

当频率控制字K=1 时（即：向相位累加器中送入的累加步长为1），则输出的最低频率为

fmin=fc2N

式中，fc 为系统时钟频率，N 为相位累加器的位数。当相位累加器位数很高时，最低输出频率可达到mHz ，甚至更低，可以认为DDS 的最低合成频率为零频。 DDS 最高输出频率受限于系统时钟频率和一个周波波形系列点数，在时钟频率为fc、采样点数为M（存储深度）下，最高输出频率为： f=fcM

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这是一个比较大的数值，所以，DDS 相对其它频率合成技术，其带宽得到了极大的提高。

2.频率、幅度、相位分辨率

频率分辨率也就是频率的最小步进量，其值等于DDS 的最低合成频率。 ?f=f0min=fc2N

根据相位累加器位数的不同有着不同的频率分辨率。由DDS 最低合成频率接近零频知，其频率分辨率可达到零频。所以DDS相比其它频率合成技术有精密的频率分辨率。精细频率分辨率使得输出频率十分逼近连续变化。幅度的分辨率决定于幅度控制的DAC 的位数：

?V=Vref/2N

式中，N 为幅度控制的DAC 的位数，Vref 为幅度控制的DAC 的参考电压。 相位差的分辨率与一个周波采样点数M 成反比，

从上可看出，DDS 技术可根据实际需要，对频率分辨率、幅度分辨率以及相位差分辨率进行灵活控制。 ?P=360 /M 3. 实验内容

（1）实验内容1：根据《EDA技术实用教程》中的相关内容，完成仿真，并由仿真结果进一步说明DDS的原理。完成编译和下载。选择模式1；其中键2、键1输入8位频率字FWORD；键4、键3输入8位相位字PWORD（此例中只将相位字设为常数）；利用GW48系统ADDA板上的10位D/A输出波形，用示波器观察输出波形（示波器探头接ADDA板的“PA”输出口）。注意，FPGA

（EP1C3）与ADDA（设为B型）板上A/D的引脚连接锁定参考附图1。注意打开实验箱上的+/-12V电源。

实验中，clock0可以选择12MHz或50MHz作为A/D的工作频率；按动键2，键1

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可以看到输出正弦波频率的提高。

(2) 实验内容2：例11-14后的程序将32位频率字作了截断，是8位。如果不作截断，修改其中的程序，并设法在GW48实验系统上完成实验（提示，增加2个锁存器与单片机通信）。

(3) 实验内容3：将上例改成频率可数控的正交信号发生器，即使电路输出两路信号，且相互正交，一路为正弦(sin)信号，一路为余弦(cos)信号（此电路可用于正交方式的信号调制解调）。

(4) 实验内容4：利用上例设计一个FSK信号发生器，并硬件实现之。

（5）实验内容5：利用VHDL完成10位输出数据宽度的移相信号发生器的设计，其中包括设计正弦波形数据MIF文件（数据深度1024、数据类型是10进制数）；给出仿真波形。最后进行硬件测试，对于GW48系统，选择模式1：时钟接法参考以上实验1-28）；用键4、3控制相位字PWORD输入，键2、1控制频率字FWORD输入。观察他们的李萨如图形。然后修改设计，增加幅度控制电路（可以用一乘法器控制输出幅度）；最后可利用MATLAB设计和硬件实现。 4. 实验设计与测试