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方面DDS信号源设计附程序电路图设计

FPGA方面DDS信号源设计（附程序电路图）

摘要

本设计结合了EDA技术和直接数字频率合成（DDS）技术。

DDS技术则是最为先进的频率合成技术，文中介绍EDA技术相关知识，同时阐述了DDS技术的工作原理、电路结构，及设计的思路和实现方法。

关键词：

现场可编程门阵列；直接数字频率合成；正弦信号发生器

ABSTRACT

ThedesignthatcombinesEDAtechnologyandDirectDigitalSynthesis（DDS）technology.EDAtechnologyisthedesignofmodernelectronictechnologyatthecore,DDStechnologyisthemostadvancedfrequencysynthesizertechnology,ThepaperintroducedtheEDAtechnology-relatedknowledge,andelaboratedontheDDStechnologyprinciple,circuitstructure,anddesignideasandmethods.

Keywords：

FPGA；DirectDigitalSynthesis；EDA

第1章引言

直接数字频率合成（DigitalDirectFrequencySynthesis）是一种比较新颖的频率合成方法。

这个理论早在20世纪70年代就被提出，它的基本原理就是利用采样定理，通过查表法产生波形。

由于硬件技术的限制，DDS技术当时没能得到广泛应用。

但是随着大规模集成电路的飞速发展，DDS技术的优越性已逐步显现出来。

今天DDS技术凭借其优越的性能已成为现代频率合成技术中的佼佼者，广泛用于接收机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线电通信系统。

不少学者认为，DDS是产生信号和频率的一种理想方法，发展前景十分广阔。

基于FPGA的DDS模型是在EDA技术逐步完善的今天才得以建立起来的。

EDA技术依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、简化、分割、综合、优化和仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路ASIC芯片中，实现即定的电子电路设计功能。

EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本

第2章设计要求和方案论证

2.1设计要求

设计一个DDS信号发生器，基本要求如下：

1）能输出正弦波

2）输出频率范围：

1KHz-10MHz，频率步进为100HZ

3）频率稳定度优于10

，频率可预置。

4）正弦信号负载输出电压峰峰值大于1V

2.2方案确定

方案一：

采用锁相环合成方法。

采用该方案设计输出信号的频率可达到超高频甚至微波段，且输出信号频谱纯度较高。

由于锁相环技术是一个不间断的负反馈控制过程，所以该系统输出的正弦信号频率可以维持在一个稳定状态，频率稳定度高。

但由于它是采取闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也比较长。

所以锁相环频率合成器要想同时得到较高的频率分辨率和转换率非常困难，频率转换一般要几毫秒的时间，同时频率间隔也不可能做得很小。

方案二：

采用直接数字合成器（DDS），可用硬件或软件实现。

即用累加器按频率要求对相应的相位增量进行累加，再以累加相位值作为地址码，取存放于ROM中的波形数据，经D/A转换，滤波即得到所需波形。

以EDA技术为基础，用FPGA实现DDS模型的设计。

电路的规模大小和总线宽度可以由设计者根据自己的需要而设定可将波形数据存入FPGA的ROM中。

同时外部控制逻辑单元也可在FPGA中实现。

方法简单，易于程控，便于集成。

用该方法设计产生的信号频率范围广，频率稳定度高，精度高，频率转换速度快。

系统框图如图5-1.

分析以上两种方案，显然第二种方案具有更大的优越性、灵活性。

所以采用方案二进行设计。

第3章DDS基本原理

3.1频率合成技术概述

所谓频率合成技术指的是由一个或者多个具有高稳定度和高精确度的频率参考源，通过在频率域中的线性运算得到具有同样稳定度和精确度的大量的离散频率的技术。

完成这一功能的装置被称为频率合成器。

频率合成器应用范围非常广泛，特别是在通信系统、雷达系统中，频率合成器起了极其重要的作用。

随着电子技术的不断发展。

频率合成器的应用范围也越来越广泛，对其性能要求也越来越高。

频率合成器的主要指标有以下这些：

（1）输出频率的范围

指的是输出的最小频率和最大频率之间的变化范围。

（2）频率稳定度

指的是输出频率在一定时间隔内和标准频率偏差的数值，它分长期、短期和瞬间稳定度三种。

（3）频率分辨率

指的是输出频率的最小间隔。

（4）频率转换时间

指的是输出由一种频率转换成另一种频率的时间。

（5）频谱纯度

频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量，杂散分为谐波分量和非谐波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性失真产生；相位噪声是衡量输出信号相位抖动大小的参数。

（6）调制性能

指的是频率合成器是否具有调幅（AM），调频（FM）、调相（PM）等功能。

频率合成器的实现方法大体可以分成三种：

直接频率合成、间接频率合成、直接数字频率合成。

下面对这三种方法进行一下简单的介绍。

直接频率合成是一种比较早期的频率合成方法，这种频率合成方法使用一个和多个标准频率源先经过谐波发生器产生各次谐波，然后经过分频、倍频、混频滤波等处理产生所需要的各个频点。

这种方法产生的波形，相噪小，频率转换时间短。

但是直接频率合成设备比较复杂笨重，并且容易产生杂散。

间接频率合成又称之为锁相频率合成。

采用了锁相环技术，对频率进行加、减、乘、除，产生所需的频率。

由于锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，所以锁相频率合成的方法对杂散有很好的抑止作用。

锁相式频率合成器还易于集成化。

但是锁相式频率合成器的频率转换时间比较长，而且在单环的情况下很难做到很小的频率分辨率。

直接数字频率合成（DDS-DigitalDirectFrequencySynthesis）是一种比较新颖的频率合成方法。

随着科学技术的日益发展这种频率合成方法也越来越体现出它的优越性来。

DDS是一种全数字化的频率合成方法。

3.2直接数字频率合成技术（DDS）基本原理

3.2.1直接数字频率合成的基本结构

DDS的基本结构如图3-1，DDS主要由四个基本部分组：

（1）相位累加器；

（2）波形ROM；（3）D/A转换器；（4）低通滤波器。

图3-1直接数字频率合成结构

相位累加器的结构如图3-2所示

图3-2相位累加器原理框图

相位累加器是DDS的核心部分，它由一个N位的加法器和N位的寄存器构成，通过把上一个时钟的累加结果反馈回加法器的输入端实现累加功能。

这里的N是相位累加器的字长，K叫做频率控制字。

每经过一个时钟周期，相位累加器的值递增K。

波形ROM示意图如图3-3所示

图3-3波形ROM示意图

当ROM地址线上的地址（相位）改变时，数据线上输出相应的量化值（幅度量化序列）。

因为波形ROM的存储容量有限，相位累加器的字长一般不等于ROM地址线的位数,因此在这个过程当中也又会引入相位截断误差。

D/A转换器将波形ROM输出的幅度量化序列转化成对应的电平输出，将数字信号转换成模拟信号。

但输出波形是一个阶梯波形，必须经过抗镜像滤波，滤除输出波形中的镜像才能得到一个平滑的波形。

抗镜像滤波器是一个低通滤波器，要求在输出信号的带宽内有较平坦的幅频特性，在输出镜像频率处有足够的抑止。

根据DDS的基本结构，可以推出以下一些结论:

频率控制字K唯一地确定一个单频模拟余弦信号

的频率

，

（2-1）

当K=1的时候DDS输出最低频率为

，

=

（2-2）

这就是DDS的频率分辨率，所以，当N不断增加的时候DDS的频率分辨率可以不断的提高。

D/A转换器的输出波形相当于是一个连续平滑波形的采样，根据奈奎斯特采样定律，采样率必需要大于信号频率的两倍。

也就是说D/A转化器的输出如果要完全恢复的话，输出波形的频率必须小于

。

一般来说，由于低通滤波器的设计不可能达到理想情况，即低通滤波器总是有一定的过渡带的，所以输出频率还要有一定的余量，一般来说在实际应用当中DDS的输出频率不能超过0.4

。

3.3DDS的技术特点

3.3.1DDS的优点

（1）输出频率的范围广。

由式2.1知道，频率覆盖范围从

到0.4

。

为输入时钟频率。

随着硬件水平的不断提高，一些DDS专用芯片的最大输出频率已经可以达到几百兆赫兹[3]。

（2）频率分辨率高，可达

个频点。

（3）频率稳定度高。

（4）频率转换时间快，可小于100ns。

同时，频率转换时相位是连续的。

（5）频谱纯度高。

（6）正交输出。

（7）产生任意波形。

由于DDS技术是利用查表法来产生波形的，所以它适用于任意波形发生器。

（8）全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。

3.3.2DDS的缺点

（1）最高工作频率不可能很高，从理论上说就只有系统始终频率的一半，实际中还要小于此值。

要想获得较高的输出频率，就必须提高系统的时钟批率，也就是说DDS系统的相位累加器、波形存储器、D/A转换器等都将工作在较高的时钟频率下，它的实现依赖于高速数字电路和高速D/A转换器。

（2）DDS系统采用数字技术，先构成离散信号再变换成模拟信号输出，尤其是要产生相位截断误差，因而噪声和杂散是不可避免的[4]。

3.3.3DDS性能分析

由式2.1可知，系统的输出频率只与频率字的值K、系统时钟频率

和相位累加器的字长N有关。

在系统时钟频率

和相位累加器字长N固定时，通过改变频率字，可以方便地改变输出频率

。

系统的频率分辨率只与系统的时钟频率

和相位累加器的字长N有关。

要增加系统的频率分辨率，可以增加相位累加器的字长N，或是降低系统的时钟频率。

为了达到较高的输出频率，DDS系统的时钟频率一般都比较高。

根据式2.2，在较高的时钟频率下，为了获得较高的频率分辨率，则只有增加相位累加器的字长N，故一般N都取值较大。

但是受存储器容器的限制，存储器地址线的为数W不可能很大，一般都要小于N。

这样存储器的地址线一般都只能接在相位累加器输出的高W位，而相位累加器输出余下的（N-W）个低位则只能被舍弃，这就是相位截断误差的来源[5]。

由于相位截断，频率字的值K就将被分为两部分，其最高的W位将被看承整数部分，而余下的将被看为小数部分。

这是因为存储器地址线的位数只有W位，相位累加器的输出只有搞W位才对存储器有影响，频率字的小数部分只有在其累加达到整数部分是才能影响存储器。

DDS系统的频率转换非常快，几乎是即时的这是锁相环系统无法做到的。

DDS系统在频率字改变后的一个时钟周期，起输出频率就可以转换成新的输出频率。

也就是说在频率字的值改变以后，累加器在经过一个时钟周期后就按照新的频率字进行累加，即开始输出新的频率，所以我们可以认为DDS系统的频率转换是在一个系统时钟周期内完成的。

DDS系统不仅频率转换速度快，而且更可贵的是只须改变频率字，就可以改变输出频率，无须复杂的控制过程。

从DDS技术的原理可知，在改变输出频率时，实际改变的是频率字，也就是相位增量。

当频率字的值从

改变为

之后，相位累加器是在已有的积累相位上，再每次累加

，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率字的瞬间其斜率发生了突变。

输出波形和相位累加器的输出值两者都是平滑过度。

也就是说DDS系统能够在频率转换中保持相位连续，输出波形能平滑的从一个频率过度到另一个频率。

第4章EDA技术

4.1EDA技术及其发展

随着社会生产力发展到了新的阶段，各种电子新产品的开发速度越来越快。

现代计算机技术和微电子技术进一步发展和结合使得集成电路的设计出现了两个分支。

一个是传统的更高集成度的集成电路的进一步研究；另一个是利用高层次VHDL/Verilog等硬件描述语言对新型器件FPGA/CPLD进行专门设计，使之成为专用集成电路（ASIC）。

这不仅大大节省了设计和制造时间，而且对设计者，无须考虑集成电路制造工艺，现已成为系统级产品设计的一项新的技术。

EDA（ElectronicDesignAutomation）技术是现代电子设计技术的核心[7]。

它以EDA软件工具为开发环境，采用硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage,HDL），采用可编程器件为实验载体，实现源代码编程、自动逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合、布局布线、逻辑优化和仿真等功能，以ASIC、SOC芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化的设计技术。

正因为EDA技术丰富的内容以及电子技术各学科领域的相关性，其发展的历程同大规模集成电路设计技术、计算机辅助工程、可编程逻辑器件，以及电子设计技术和工艺的发展是同步的。

就过去近30年的电子技术的发展历程，可大致将EDA技术的发展分为三个阶段。

20世纪70年代，集成电路制作方面，MOS工艺已得到广泛的应用。

可编程逻辑技术及器件已经问世，计算机作为一种运算工具已经在科研领域得到了广泛的应用。

而在后期，CAD的概念已见雏形。

这一阶段人们开始利用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作。

20世纪80年代，集成电路设计进入了COMS（互补场效应）时代。

复杂可编程逻辑器件已经进入商业应用，相应的辅助设计软件也已投入使用。

而在80年代末，出现了FPGA（FieldProgrammableGateArray），CAE和CAD技术应用更为广泛，他们在PCB设计方面的原理图输入、自动布局布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等方面担任了重要的角色，特别是各种硬件描述语言的出现、应用和标准化方面的重大进步，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。

进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步的确立，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得了更加广泛的应用，与此同时电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求和技术需求，极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展。

特别是集成电路设计工艺步入了超深亚微米阶段，百万门以上的大规模可编程逻辑器件的陆续面世，以及基于计算机技术的面向用户的低成本大规模ASIC技术的应用，促进了EDA技术的形成。

更为重要的是各EDA公司致力于推出兼容各种硬件实现方案和支持标准硬件描述语言的EDA工具软件的研究，都有效地将EDA技术推向成熟。

4.2硬件描述语言VHDL

4.2.1VHDL简介

甚高速集成电路硬件描述语言（Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，VHDL）于1983年有美国国防部（DOD）发起创建，由IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）进一步发展并在1987年作为“IEEE标准1076”发布[8]。

从此，VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。

自IEEE公布了VHDL的标准版本之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具支持VHDL。

此后VHDL在电子设计领域得到了广泛应用，并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。

1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本，（简称93版）。

现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。

有专家认为，在新的世纪中，VHDL语言将承担起大部分的数字系统设计任务。

除了作为电子系统设计的主选硬件描述语言外，VHDL在EDA领域的仿真测试、程序模块的移植、ASIC设计源程序的交付、IP核（IntelligencePropertycore）的应用方面担任着不可或缺的角色，因此不可避免地将成为了必要的设计开发工具。

VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。

除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。

VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。

在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。

这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

4.2.2VHDL的主要优点

（1）覆盖面广，有强大的系统硬件描述能力

（2）可读性好、易于修改

（3）独立于器件的设计，与工艺无关

（4）易于移植和设计资源共享

4.3现场可编程逻辑（FPGA）器件

4.3.1引言

FPGA（现场可编程门阵列）与CPLD（复杂可编程逻辑器件）都是可编程逻辑器件[11]，它们是在PAL、GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。

但FPGA/CPLD的规模较大，非常适合于对时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。

应用FPGA/CPLD可以做成一个系统级芯片，它具有可编程性和实现方案容易修改的特点。

现在，CPLD/FPGA等可编程器件已应用在不同的高科技领域，如数字电路设计、微处理系统、DSP、通信及ASIC设计等。

由于芯片内部硬件连接关系的描述的存放，是以EEPROM、SRAM或FLASH或外接EPROM为基础的，设计用户可在可编程门阵列芯片及外围电路保持不动的情况下，通过计算机重新下载或配置设计软件，就能实现一种新的芯片功能。

于是FPGA/CPLD可编程器件，正得到越来越多的电子设计者的青睐。

4.3.2FPGA的组成及其应用特点

FPGA的组成：

现场可编程门阵列（FPGA）是在PAL和GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的、可由用户自行定义配置的高密度专用集成电路，结构上主要由三部分组成：

可编程逻辑块（CLB----ConfigurableLogicBlock）、输入\输出单元（IOB----I\OBlock）和可编程连线（IR----InterconnectResoutce）。

由于FPGA的集成规模非常大，因此可借助HDL硬件描述语言开发出系统级芯片和产品。

又由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用器件的硬件结构没有关系，所以设计成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号和规模的FPGA中，从而使得产品设计效率大幅度提高。

FPGA显著的优势是开发周期短，投资风险小、产品上市速度快，市场适应能力强和硬件升级回旋余地大。

一旦市场对所设计的产品需求量大，则可进行流片设计，形成价格更低廉的AISC产品。

FPGA芯片都是比较特殊的ASIC芯片，除了具有SAIC的特点之外，还具有以下几个优点：

（1）集成度越来越高

（2）嵌入式存贮技术

（3）时钟锁定和倍频技术

（4）系统保密性能增强

（5）开发周期短

4.3.3Altera的FLEX10K器件

Altera公司作为目前世界上最大的可编程逻辑器件供应商之一，其产品主要有FLEX10K,FLEX8000,FLEX6000,MAX9000,MAX7000,MAX5000以及Classic等七大系列，而FLEX10K系列是ALTERA1995年推出的一个新的产品系列，因其规模大且价格便宜，倍受人们关注，Altera的FLEX10K器件是工业界第一个嵌入式可编程器件，基于可重构的CMOSSRAM单元，这种灵活逻辑单元阵（FlexibleLogicElementMatrix）具有一般门阵列的所有优点。

FLEX1OK系列器件规模从1万门到25万门，它无论在密度或者速度上都可以将一定规模的子系统集成到一个芯片上，采用快速可预测连线延时的连续式布线结构，在某种意义上说，是一种将EPLD和FPGA优点结合于一体的新型器件。

FLEX10K系列器件在结构上大同小异，它们都包含有四大部分：

输入输出单元IOE、逻辑阵列块（LAB）、嵌入阵列块EAB及行、快速通道（FastTrack）互连。

图4-1FLEX10K内部图

FLEXl0K系列器件特点：

1、嵌入阵列EAB，是一个在输入和输出端口都带有寄存器的一种灵活的RAM块，可以完成许多宏函数如存储器、查找表等。

2、全局时钟使用，可以最大限度减少时钟到各触发器的延迟，尽量使整个系统同步产生。

3、基于JTAG的边界扫描测试，2.5V（B系列），3.0V（A,V系列）或5.0V电源。

4、低功耗，系统不工作时电流小于1mA。

5、灵活多变的行列连线资源。

6、功能丰富的I/O引脚。

7、多种封装形式。

8、基于SRAM重构。

9、强大的集成开发环境和多形式的用户接口。

4.4EDA工具MAXPLUSⅡ

MAX+PLUSII是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境，它提供了一种与结构无关的设计环境，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。

在MAX+PLUSII软件提供的设计环境中可以完成设计输入、设计编译、设计仿真和器件编程四个设计阶段。

在设计输入阶段，用户可以采用图形输入、文本输入和波形输入三种方式输入设计文件，但波形输入方式只能在工程设计的底层使用。

在设计编译阶段，MAX+PLUSII编译器依据设计输入文件自动生成用于器件编程、波形仿真及延时分析等所需的数据文件。

在设计仿真阶段，MAX+PLUSII仿真器和时延分析器利用编译器产生的数据文件自动完成逻辑功能仿真和时延特性仿真。

并且可以在设计文件中加载不同的激励，观察中间结果以及输出波形。

必要时，可以返回设计输入阶段，修改设计输入，达到设计要求。

在器件编程阶段，MAX+PLUSII编程器将编译器生成的编程文件下载到Altera器件实现对器件编程。

此后，可以将实际信号送入该器件进行时序验证。

因为CPLD／FPGA芯片能够可重复编程，所以如果动态时序验证的结果不能满足用户的需要时，用户可以返回到设计阶段重新设计，然后重复上面的步骤，最终达到设计要求。

图4-2中所示的是标准的EDA开发流程。

图4-2MAX+PLUSII设计流程

第5章基于FPGA的DDS信号源设计

5.1总体设计框图

图5-1信号发生器结构框图

图5-1为本次设计总体结构框图，其中相位累加器和波形存储器构成信号发生器核心部分。

该部分又与频率字控制模块共同构成信号发生器主模块。

而显示模块，D/A转换器和滤波电路则作为信号发生器外围硬件设计。

下面就分主模块软件设计和外围硬件设计两大部分来说明信号发生器的设计。

5.2主模块软件设计

5.2.1相位累加器的设计

图5-2相位累加器

图5-2为相位累加器内部结构图，它有一个N位的全加器和一个寄存器构成。

当系统时钟上升沿到来的时候，上一个时钟周期的相位值与频率字的相加值被送入累加寄存器，并输出高W位至波形存储器的地址线，同时相位值又被送回全加器进行相位累加。

相位累加器流程图如图5