基于FPGA的直接数字频率合成器的研究与应用

西南交通大学本科毕业设计(论文)第I页院系电气工程系专业电子信息工程年级2005姓名范军题目基于FPGA的直接数字频率合成器的研究与应用指导教师评语指导教师(签章)评阅人评语评阅人(签章)成绩答辩委员会主任(签章)年月日西南交通大学本科毕业设计(论文)第II页毕业设计（论文）任务书班级电子信息05学生姓名学号20059180发题日期：2009年2月23日完成日期：毕业当年的6月14日题目基于FPGA的直接数字频率合成器的研究与应用1、本论文的目的、意义现代社会大量需要分辩率及转换速度及低噪声的信号源，这种信号源广泛采用频率合成技术，目前频率合成技术主要三种种方式：DAS、PLL、DDS，DAS现在较少用，PLL用途较广，但高分辨率与转换速度存在矛盾且为大步进频率合成，而DDS简单可靠，很高的分辩率及转换速度。本设计基于FPGA的DDS技术来设计一台正弦波信号源。2、学生应完成的任务.（1）掌握DDS合成技术的原理、方法及应用（2）掌握利用FPGA技术实现直接数字频率合成器的方法（3）基于FPGA的直接数字频率合成器的应用-设计一台正弦波信号源并进行仿真调试（4）尽可能高的分辨率和精度3、论文各部分内容及时间分配：（共16周）第一部份毕业设计前期准备及任务书下达（2周）第二部分收集、调研、整理资料、购思、方案确定（2周）第三部分硬软件设计、仿真调试阶段（6周）第三部分论文撰写（3周）第四部分审校（1周）评阅及答辩（2周）指导教师：2009年2月23日审批人：2009年2月23日西南交通大学本科毕业设计(论文)第III页摘要频率合成技术广泛应用于通信、航空航天、仪器仪表等领域。目前，常用的频率合成技术有直接式频率合成、锁相频率合成和直接数字频率合成(DDS)。DDS系统可以很方便地获得频率分辨率很精细且相位连续的信号，也可以通过改变相位字改变信号的相位，因此也广泛用于数字通信领域。本论文是利用FPGA设计实现DDS系统。DDS是把一系列数字量形式的信号通过D/A转换形成模拟量形式的信号的合成技术。主要是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速D/A转换器产生已经用数字形式存入的正弦波(或其他任意波形)。一个典型的DDS系统应包括:相位累加器，可在时钟的控制下完成相位的累加(一般由ROM实现):DA转换电路，将数字形式的幅度码转换成模拟信号。本文进行了DDS系统分析和设计，包括DDS系统框图的设计，相位控制字和频率控字的设计，以及软件和硬件设计，重点在于利用FPGA改进设计，包括控制系统(频率控制器和初始相位控制器)，寻址系统(相位累加器和数据存储器)，以及转换系统(D/A转换器和滤波器)的设计。介绍了利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现数控振荡器(DNO，即DDS)的原理、电路结构，重点介绍了DDS技术在FPGA中的实现方法，给出了采用ALTERA公司的FLEX10K系列FPGA芯片EPF10K20TC144-4芯片进行直接数字频率合成的VHDL源程序。关键词:直接数字频率合成(DDS);现场可编程门阵列(FPGA)；硬件描述语言西南交通大学本科毕业设计(论文)第IV页AbstractThetechnologyofFrequencySynthesis,whichconsistofDirectSynthesis,Phase-lockedSynthesisandDirectDigitalSynthesisiswidelyusedintheoryofcommunication,aeronauticsandinstrument,etc.ByusingtheDDSsystem,wecanobtainsignalswithhighdefinitioninfrequencyandwithsequentialphase.ThesystemrealizedthistimewhichisachievedbyFPGAisaDDSsystemthathasthefunctionofdigitizedfrequencymodulationofanalogsignals.DDSisamethodthatcantransformthedigitizedsignalsintoanalogsignalsbymeansofDAC.Withthehelpofthehigh-speedROMwhichisusedasalook-up-table,thesin-waveformsorotherwaveformscanbeobtainedbyusingthehigh-speedDAC.ThecommonDDSiscomposedofthreepart.ThePhaseAdder,whichaccomplishtheaccumulationofthephase;ThePhaseCode-AmplitudeCodeTransformer,whichisrealizedbyROM;TheDAC,whichtransformsthedigitalsignalsintoanalogysignals.Accordingtothedesignparameters,thepaperhasundergonetheDDSsystemanalysisanddesigns,includingthedesignofDDSsystemblock-diagram,thedesignofphase-controllingwordandfrequency-controllingword,andthedesignofsoftwareandhardware.Thekeystonerestswithimprovingthedesign,includingthedesignofthecontrollingsystem(frequency-controllorandoriginalphase-contrllor),addressingsystem(phaseaccumulatoranddatamemorizer)andconversionsystem(D/Aconverterandfilter),presentstheVHDLfountainheadprogramofDirectDigitalSynthesizer,usingtheEPFlOK20TC144-4chipoftheFPGAchipwhichbelongstotheALTERAcorporation'sFLEXIOKseries.KeyWords:DDS;FPGA;VHDL西南交通大学本科毕业设计(论文)第V页目录第1章绪论................................................................................................................11.1问题的提出.......................................................................................................11.2国内外研究现状...............................................................................................11.3本设计的内容...................................................................................................2第2章频率合成技末概述..........................................................................................32.1频率合成技术...................................................................................................32.1.1直接频率合成.........................................................................................32.1.2锁相频率合成.........................................................................................32.1.3直接数字频率合成.................................................................................42.2频率合成器的主要技术指标...........................................................................52.3直接数字频率合成...........................................................................................62.3.1DDS原理................................................................................................62.3.2DDS的组成.........................................................................................7第3章VHDL语言与可编程逻辑器件.....................................................................93.1EDA技术的发展与VHDL语言....................................................................93.1.1EDA技术................................................................................................93.1.2VHDL硬件描述语言...........................................................................103.2FPGA原理介绍...............................................................................................113.3Altera公司可编程逻辑器件开发软件...........................................................123.3.1MAX+PLUSII的特点.........................................................................123.3.2MAX+PLUSII的设计流程.................................................................13第4章.基于FPGA的DDS系统的实现......................................................................154.1基本DDS系统框图.....................................................