fpga模拟dds正弦波信号源1

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1、摘要随着科学技术的发展和测量技术的进步，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的电子技术领域的生产调试需要。而DDS技术是一种新兴的直接数字频率合成技术，具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点，因而在雷达及通信等领域具有广泛的应用前景。目前市面上的DDS芯片，价格昂贵、功能固定单一，应用受到限制。本综合实验项目采用基于FPGA的EDA技术设计实现DDS芯片，并可以根据实际需要对其功能进行灵活地修改，配置。关键字：FPGAEDADDS1DDS的研究现状及发展趋势   在频率合成（F

2、S,FrequencySynthesis）领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-NPLLSynthesis）等，直接数字合成(DirectDigitalSynthesis－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。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。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），这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形

3、。如图1-1所示，通过高速DAC产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。   DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达μHz级，相位控制小于0.09°）,能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。其实，以前DDS价格昂贵、功耗大（以前的功耗达Watt级）、DAC器件转换速率不高，应用受到限制

4、，因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展，DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件，其功耗降低到mW级（AD9851在3.3v时功耗为650mW），功能增加了，价格便宜。因此，DDS也获得广泛的应用：现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN系统、雷达、卫星通信。1.1 DDS的系统简介DDS的原理框图如图1所示。图中相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频率控制字（TUNINGWORD）所决定的相位增量M累加一次，如果记数大于2^N，则自动溢出，而只保留后面的N位数字于累加器中。正弦查询表ROM用于实现从相位累加器输出

5、的相位值到正弦幅度值的转换，然后送到DAC中将正弦幅度值的数字量转变为模拟量，最后通过滤波器输出一个很纯净的正弦波信号。   由图可知，一个基本的DDS结构，主要由相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表和DAC构成。图中的相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表是DDS结构中的数字部分，由于具有数控频率合成的功能，又合称为NCO（NumericallyControlledOscillators）。相位累加器是整个DDS的核心，在这里完成上述原理推导中的相位累加功能。相位调制器接收相位累加器的相位输出，在这里加上一个相位偏移值，主要用于信号的相位调制。正

6、弦查找表ROM是DDS最关键的部分，也是最复杂的部分；设计时首先需要对正弦函数进行采样，接着将采样的结果放到ROM模块的对应存储单元中；每一个地址对应一个数值，输出为10位。为了保证输出数据的稳定性，将ROM的输出数据先寄存在REGOUT中，待下一个始终到来时，再将其输出。整个系统各模块是在同步时钟信号CLK的控制下协调工作的。数模转换器（DAC）的作用是将数字形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟形式信号。DAC有电压和电流输出两种，其输出的信号并不能真正连续可变，而是以其绝对分辨率为最小单位的，所以其输出实际上是一个阶梯模拟信号。现在，一些器件厂家

7、如美国的AD公司，都在DDS器件的芯片内部集成了DAC，这种结构称为Complete-DDS，大大简化了DDS的系统设计。1.2DDS的性能特点（1）DDS的频率分辨率在相位累加器的位数N足够大时，理论上可以获得相应的分辨精度，这是传统方法难以实现的。（2）DDS是一个全数字结构的开环系统，无反馈环节，因此速度极快，一般在毫微秒量级。（3）DDS的相位误差主要依赖于时钟的相位特性，相位误差小。另外，DDS的相位是连续变化的，形成的信号具有良好的频谱，这是传统的直接频率合成方法无法实现的（4）相位变化连续　　改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期

8、的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保