1、、實驗名稱：基于FPGA的DDS信號源設計、技術規范：1 -實驗目標：設計一個直接數字頻率合成(DDS , Direct Digital Synthesis) , DDS是一種新型 的頻率合成技術。DDS技術是一種把一系列數字形式的信號通過DAC轉換成模擬信號 的合成技術。DDS技術具有頻率切換時間短，頻率分辨率高，頻率穩定度高，輸出信號的頻率和 相位可以快速切換，輸出相位可連續，并且在改變時能夠保持相位的連續，很容易實現頻 率、相位和幅度的數字控制。它在相對帶寬、頻率轉換時間、相位連續性、高分辨率以及集 成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統頻率合成技術。因此在現代電子系統及設備的頻 率源設

2、計中，尤其在通信領域，直接數字頻率合成器的應用越來越廣泛。2. 實現功能：本實驗最后將設計出一個具有頻率控制和相位移控制功能的DDS o3. 引腳：本實驗有三個輸入端口，8位的頻率控制字端口，分別接8個開關按鍵，8位的相位控制字端口，分別接另外的8個開關按鍵，系統時鐘輸入端口； 一個8位輸出 端口，接D/A的輸入端口。FPGA板上的時鐘頻率為50MHz ,本實驗將其10分頻后得到5MHz再使用二總體設計方案;1.DDS原理：實驗采用目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲器作查找表，然后通過高速DAC輸出已經用數字形式存儲的波形。圖1 : DDS系統的基本原理圖圖1中虛方框部分是DDS的核

3、心單元，它可以采用CPLD/FPGA來實現。圖中的相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級聯而成，可對頻率控制字的二進制碼進行累加運算，是典型的反饋電路。頻率控制字和相位控制字分別控制DDS輸出正（余）弦波的頻率和相 位。每來一個 時鐘脈沖，相位寄存器以步長M遞增。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，其結果作為正 （余）弦查找表的地址。正（余）弦查找表的數據存放在ROM中，內部存有一個周期的正 弦波信號的數字幅度信息，每個查找表的地址對應于正弦波中0。360。范圍內的一個相 位點。查找表把輸入的址信息映射成正（余）弦波的數字幅度信號，同時輸出到數模轉換器 DAC的輸入端，DAC輸出的模擬信號經過

4、低通濾波器（LPF）,可得到一個頻譜純凈的正（余）弦波DDS具體工作過程如下：每來一個時鐘脈沖elk , N位全加器將頻率控制數據M與 累加寄存器輸出的累加相位數據N相加，把相加后的結果送至累加寄存器的輸入端。累加 寄存器一方面將上一時鐘周期作用后所產生的新的數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器 在下一時鐘的作用下繼續與頻 率控制數據M相加；另一方面將這個值作為取樣地址值送入幅 度/相位轉換電路，此電路根據取樣地址輸出相應的波形數據。最后經D/A轉換器和低通 濾波器將波形數據轉換成所需要的模擬波形。DDS輸出信號的頻率由下式決定：q=（2M2n） X elk （2M弋表取樣點數，M為頻率 控制

5、字、2“代表存儲器中存儲數據的多少，N代表累加器的位數，elk代表基準時鐘頻 率）。調節M可以改變取樣的點數，從而改變頻率。假定基準時鐘為70MHz ,累加器為16位，則elk=70MHz , 丫二2=65536（N 二 16），設 M 二 12 貝 uX= 2-= 4096 ,所以 q= （4096/65536） X 70=4.375MHzo可見，通過設定相位累加器位數N、頻率控制字M和基準時鐘的值，就 可以產生任一頻率的輸出。DDS的頻率分辨率定義為：q=elk/0由于基準時鐘一般是固 定的，因此相位累加器的位數就決定了頻率的分辨率。2.功能實現：如果利用AT29C010芯片實驗接線圖如下

6、:LIOI呎氷農ECEL羊iW出F審7C頂層模塊圖:叱二.匚門43 系統總體框圖:OUTiTauracmocmIDS 盤。urs WTcmiOC.IT7 0UT39 EE OUTIBCUTIIeOUH3UT13” CUT14CUT 5Al WOOAttfObA2冋AJA4g1 AJ/05A4iffOriAT如Al恤Ml OUT1H2W5能吒W：由訂 1八 KurJOB x?iirU0I5OUT tAECAllA12E ATACliLU 圖2 : DDS試驗連線圖1iCih1flmt圖3 : DDS頂層設計電路圖1圖4 :總體框圖4模塊描述及功能實現（這里采用的是自己編的rom,沒有用falsh

7、芯片）: 頂層模塊：頂層模塊主要用于分頻，定義系統的輸入和輸出端口。由于實驗 箱采用系統 時鐘位50MH乙 本實驗才有時鐘頻率為5MH乙 所以本模塊主要負責將時鐘進行10分頻。模 塊將調用相位累加模塊和rom模塊。模塊端口有：系統時鐘輸入端口 （接系統時鐘），8位 頻率控制字輸入端口和8位相位控制輸入端口（接16個開關按鍵），8位數據輸出端口（接 D/A的8位輸入端口），復位輸入端（接一個按鍵），分頻后的時鐘輸出（接D/A的時鐘輸 入）。名稱方向電平位寬功能elkin put3.3V1系統時鐘信號，（50MHZ）Fin put3.3V8頻率控制字resetin put3.3V1復位信號Pin

8、put3.3V8相位控制字sin_ outoutput3.3V8正弦波數據clk_5MHzoutput3.3v1分頻后的時鐘 相位累加模塊：相位累加主要是利用頻率控制字和相位控制字來累加出尋址地址，N=N+M ； address=N+P ；其中N位累加寄存器，初期為0； 位頻 率控制字； address為尋址地址。模塊端口有：時鐘輸入端口（接頂層模塊5MHz時鐘）,復位輸入端口（接頂層模塊復位端），8位頻率控制字輸入端口和8位相位控制輸入端口（分別接頂層模塊的 8位頻率控制字輸入端口和8位相位控制輸入端口），地址輸出端口（將地址通過頂層模塊傳送 給rom模塊，8位）。名稱方向電平位寬功能clk

9、_5MHIn put3.3V1分頻后時鐘（5MHz）MIn put3.3V8頻率控制字resetIn put3.3V1復位信號data_PMIn put3.3V8相位控制字data_outOutput3.3V13rom的地址 rom模塊：首先利用MATLAB生成一個.HEX文件，.HEX文件存儲的是一個深度為8192,寬度為8的正弦波形數字信號（數據不能超過255）。代碼為:depth=8192;%存儲單元數widths=8;N=0:1:8192;s=si n( pi*N/125);fidc=fope n(dds.hex/wt)；% 寫入 sinrom.hex %fprin tf(fidc,d

10、epth=%d;n,depth);fprin tf(fidc；width=%d;n,widths);fprin tf(fidc,address_radix=uns；n*);fprin tf(fidc,data_radix = un s;n);fprintf(fidc,Content Beginn);%數據寬度為8位;%計算0pi/2的Sin值；%以切啲形式打開，n為換行fprin tf(fidc,%dn, rou nd(125*si n(pi*(x-1 )/4096)+125); endfprin tf(fidc；e nd；);fclose(fidc);然后在quartus下利用MATLAB生

11、成的數據編寫一個單口 rom,并且生成 對應的V文 件，即rom模塊。本模塊的功能是通過傳送過來的地址，查找地址所對應的數據，并將數據輸 出。生成的模塊端口：地址輸入端口（接相位累加模塊傳送過來的地址，13位），時鐘輸入端 口（接分頻后的5MHz時鐘），數據輸出端口（ 8位）。名稱方向電平位寬功能lekJL StopM Pos: 0.000sSAVE/RECelkin put3.3V1分頻后時鐘(5MHz)addressin put3.3V13尋址地址qoutput3.3V8sin波形數據實驗結果及分析:板子下載:將數字輸出接到DA轉換芯片的8個輸入腳，用示波器檢測DA的模擬輸出信號。改變頻率

12、控制字和相位控制字(由于濾波器原因，改變相位控制字沒有實際效果)，觀察波形的改變。lek回 AutoM Pos: 0,000sSAVE/RECActionSave ImageFileFormatAboutSavingImagesSelectSaveTEK0003.JP GCH1 -915,.uVFolderCH1 500mVM別腫Current screen display saved to A:TEK0008JPG頻率控制字為oSave ImageFileFormatAboutSavingImagesSelectFolderSaveTEK0007.JPGCH1 SOOmVM BO.Ojjs3

13、0-Jun-10 03:43CH1 I -915A3V3.8373 戀 Hz頻率控制字為128理論值：q=(128/16384) X 500k=3.90625kHz(500k 為分頻后的時鐘)lek JL StopM Po$: C-OOOS SAVE/REC30-Jun-10 03:421.90351kHz頻率控制字為64理論值:q=(64/16384) X 500k=1.953kHzSave ImageFileFormatJPEGAboutSaving ImagesSelectFolderSaveTEK0006.JPGCH1 500mVM IOOJJS CH1/ 一乖山一Tek JL est

14、op M Po$: O.OCOS SAVE/RECCHI IM 2S0JU530-Jun-10 09:421 頻率控制字為32理論值：q=(32/16384) X 500k=0.977kHzCH1 500mVActionSave ImageFileFormatJPEGAboutSaving ImagesSelect FolderSaveTEK0005.JPG-n ii936.590HzTek Jk Stopm Pos： o.ooos卜rFVer丁廠：、,兒*EyiF，j：ESAVE/RECAction仙巳1朗邨FileFormatJPEGAboutSavinaImagesSelectFolde

15、rSaveTEKOOOA.JPCH1M 500ju$CH1 乙刖5ju30-Jun-10 09:42453.230Hz頻率控制字為16理論值：q=(16/16384) X 500k=0.488kHz頻率控制字為8理論值：q=(8/16384) x 500k=0.244kHzM Pos: 0.000sSAVE/RECActionSave ImageFileFormatJPEGAbout Saving ImagesSelect FolderSaveTEK0002.JPGCHI 500mVM 2.50ms30-Jun-10 03:41CHI T 915juV 90.6646Hz頻率控制了為4理論值：q=(4/16384) X 500k=0.122kHzlek JL stopM Pos: 0.000s SAVE/RECActionSave ImageFileFormatJPEGAbout Saving ImagesSelect FolderSaveTEK0000.JPQ