DDS的精密正弦信号发生器的设计，毕业论文，毕业设计，电子信息工程，信号发生器

基于DDS的精密正弦信号发生器的设计

1 绪论

1.1 课题背景

DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备。在当前社会中应用非常广泛，如通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子测量以及现代化的仪器仪表工业等领域。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[1]。

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[1]。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[2]。为达到此目标，必须采用少量的IC器件使面积尽可能

1.2 研究此课题的目的和意义

随着我国的经济日益增长，社会对电子产品的需求量也就越来越大。目前，我国的电子产品市场正在迅速的壮大，市场前景广阔。FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)在现代数字电路设计中发挥着越来越重要的作用。FPGA/CPLD(Complex Programmable Logic Device)所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性，缩短了产品的上市时间并降低可电子系统的开发成本，与此同时通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子测量以及现代化的仪器仪表工

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业等领域对于DDS的精度和人性化操作的要求越来越高。再加上现在电子技术突飞猛进的发展，产品的技术含量越来越高，使得芯片的复杂程度越来越高，人们对数万门乃至数百万门设计的需求也越来越多，特别是专用集成电路（ASIC）设计技术的日趋进步和完善，推动了数字系统设计的迅速发展。仅靠原理图输入方式已不能满足要求，采用硬件描述语言VHDL的设计方式应运而生，解决了传统用电路原理图设计大系统工程时的诸多不便，成为电子电路设计人员的最得力助手。

频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备。随着现代无线电通信事业的发展，移动通信雷达制导武器和电子对抗等系统对频率合成器提出越来越高的要求。低相噪高纯频谱和高速捷变的频率合成器一直是频率合成技术发展的主要目标，DDS 技术的发展将有力地推动这一目标的实现。

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点，因此采用数字方法实现各种模拟调制也越来越普遍[3]。现在许多DDS芯片都直接提供了实现多种数字调制的功能，实现起来比较简单，而要实现模拟线性调制具有一定的难度。因此本设计介绍了一种由单片机控制，并采用FPGA实现DDS功能，产生频率和相位可调的正弦波信号的方法。

波形发生器通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波相位、频率和幅值可调的信号。信号的频率、相位可通过键盘输入并显示。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，成本低。

1.3 本文主要研究的工作和目标

信号发生器一般是指能自动产生具有一定频率和幅度的正弦波、三角波（锯齿波）、方波（矩形波）、阶梯波等电压波形的电路或仪器 [4]。本设计主要研究由单片机控制，以单片机系统作为主控制部分，用现场可编程逻辑器件FPGA实现DDS功能，产生频率、相位可调的精密正弦波信号，其各功能模块采用硬件描述语言VHDL来

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实现和仿真的方法，并对设计系统进行理论性测试分析，达到课题研究目标和目的。 设计目标实现信号发生器特性要求如下：

（1）信号发生器频率范围为20Hz到20KHz，进步频率为20Hz；

（2）信号发生器产生两路输出正弦波信号，峰峰值分别在0.3V到5V变化； （3）信号发生器数字显示频率、相位差等参数。 （4）信号发生器相位差0°～359°，步进1°；

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2 设计方案的概述及论证

2.1 系统的性能要求

首先对本题目进行分析知，信号发生器由单片机、接口电路、FPGA、低通滤波器、D/A转换等部分组成，其中主要为用FPGA实现直接数字频率合成器(DDS)的功能及单片机的控制功能。单片机通过接口电路控制FPGA构成的DDS系统，通过键盘送人频率控制字、相位控制字和幅值控制字，使其输出一定频率、相位和幅值的正弦波信号，经过低通滤波器后形成平滑的正弦波。 可知系统的性能要求如下：

（1）频率范围20Hz～20KHZ，步进20Hz； （2）相位差0°～359°，步进1°；

（3）两路输出正弦波信号，峰峰值分别在0.3V～5V变化； （4）数字显示频率、相位差。

2.2 方案论证与比较

由于本系统由多部分和模块组成，在此根据各部分的基本原理，对各方案进行分析和比较从而得出好的设计方案。

方案一：采用震荡器频率合成方案。具体方案如下：首先通过频率合成技术产生所需要频率的方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波。其优点是工作频率可望做得很高，也可以达到很高的频率分辨率；缺点是使用的滤波器要求通带可变，实现很难，高低频率比不可能做得很高。

方案二：采用专用DDS芯片AD9852来设计，其总体框图如图2-1所示。在设计界里众所周知，DDS器件采用高速数字电路和高速D/A 转换技术，具有频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出信号频率和相位可快速程控切换等优点，所以，我们可以利用DDS具有很好的相位控制和幅度控制功能，另外其数据采样功能也是极具精确和完善的，它可以产生较为精确的任何有规则波形信号，可以实现对信号进行全数字式调制。用FPGA和DDS实现信号调制，既克服了传统的方法实现带来的缺点，若采用它来编程设计，必定会事半功倍，且使设计趋于理想状态。虽然用此方案产生的信号具有频谱纯度高、集成度高等优点。但他的功能却是固定的，使用起来不是那么灵活，不太适合该题目的设计。

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