基于CPLD与DDS技术的信号发生器的设计1.docx
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基于CPLD与DDS技术的信号发生器的设计1
本科毕业设计
题
目
基于CPLD的DDS信号发生器设计
作者：
专业：
电气工程及其自动化
指导教师：
完成日期：
原创性声明
本人声明：
所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。
参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名：
日期：
本论文使用授权说明
本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）
学生签名：
指导教师签名：
日期：
南通大学毕业设计（论文）立题卡
课题名称
基于CPLD与DDS技术的信号发生器的设计
出题人
课题来源
科研
社会生产实际
√
其它
课题表述（简述课题的背景、目的、意义、主要内容、完成课题的条件等）
传统的信号发生器采用模拟电路技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形。
采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。
随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的信号发生器。
本文研究的内容主要是结合虚拟仪器技术，进行任意信号发生器的研制，所用的控制方式是目前比较先进的DDS技术。
课题条件：
集成电路、Cpld-dev开发平台、Quartus
软件。
课题类型
理论研究
对应的
成果形
式为
所有模块程序
理论研究与工程应用
工程应用
√
毕业论文
该课题对学生的要求
自学能力较强，基础较好；熟悉VHDL或VerilogHDL语言；
具有一定软硬件电路分析与设计能力；
一名学生
教研室意见
教研室主任签名：
______________
________年________月________日
学院意见
同意立题（ ）
不同意立题（ ） 教学院长签名：
______________
________年________月________日
注：
1、此表一式三份，学院、教研室、学生档案各一份。
南通大学
毕业设计（论文）任务书
题目基于CPLD的DDS信号发生器设计
学生姓名
学院电气工程学院
专业电气工程及其自动化
班级电096
学号
起讫日期2013.3－2013.6
指导教师职称讲师
发任务书日期2013年2月19日
课题的内容和要求（研究内容、研究目标和解决的关键问题）
传统的信号发生器采用模拟电路技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形。
采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。
随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的信号发生器。
本文研究的内容主要是结合虚拟仪器技术，进行任意信号发生器的研制，所用的控制方式是目前比较先进的DDS技术。
课题的研究方法和技术路线
研究方法为理论研究与实际调研相结合。
技术路线为：
1、熟悉课题及要求，检索有关资料；
2、分析消化资料，撰写课题综述及开题报告；
3、掌握DDS控制技术和信号发生器工作原理，对整体硬件电路进行设计并对软件进行编程和仿真；
4、对信号发生器系统进行整体调试；
5、完成论文
计算机一台
学生具有一定的编程基础及理论知识
参考文献
1]王庆生,卢栋才.频率合成技术综述[J].通信对抗，2005
（2）:
3-10.
[2]王建明.基于DDS技术的多波形信号源设计[D].南京：
南京理工大学出版社，2005.15-18.
[3]朱正伟.EDA技术及应用[M].北京:
清华大学出版社，2005.
[4]李洪伟，袁斯华.基于QuartuSH的FPGA/CPLD设计[M].北京:
电子工业出版社，
2006年4月
[5]潘松，黄继业编著.EDA技术与VHDL[M].北京:
清华大学出版社，2006.20-30.
[6]王道宪，贺名臣，刘伟.VHDL设计技术[M].北京:
国防工业出版社，2003.145-152.
[7]乔钟纬,韩冬.基于CPLD和DDS实现的信号源[J].山西电子技术，2008（4）:
36-38.
[8]宋万杰，罗平，吴顺君.CPLD技术及其应用[M].西安:
西安电子科技大学出版
社，2000.89-98.
[9]乔庐峰,王志功.PEDRONIVA.CircuitDesignwithVHDL[M].北京:
电子工业出版社,2005.9-48.
[10]石熊.基于直接数字频率技术的研究与应用[D].武汉：
华中科技大学，2007.10-88.
[11]黄振华.基于FPGA函数信号发生器的设计与实现[D].江苏：
江苏大学，2009.
[12]黄蕾.基于单片机的DDS技术的应用与研究[D].湖南：
湖南大学,2005.
[13]周梦然.CPLD/FPGA的开发与应用[M].徐州：
中国矿业大学出版社，2007.
[14]雷能芳.DDS的Verilog设计及QuartusⅡ与Matlab联合仿真[J].现代电子，2009（12）:
163-164.
本课题必须完成的任务：
1、开题报告、英文翻译
2、掌握DDS控制技术和信号发生器工作原理，对整体硬件电路进行设计并对软件进行编程和仿真；
3、对信号发生器系统进行整体调试；
4、实验结果及评价
成果形式
基 础 条 件
提交本科毕业论文
进度计划
起讫日期
工作内容
备注
2．18-3．2
查阅中外参考文献，翻译一份英文资料
3．3-3．16
消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告
3月14日上交
3．17-4．13
掌握DDS控制技术和信号发生器工作原理，对整体硬件电路进行设计并对软件进行编程和仿真
3.17－3.26完成开题答辩
4．21-4．27
毕业设计中期检查
4月27日前
完成中期检查
4．14-5．18
对信号发生器系统进行整体调试
5．19-5．29
撰写毕业论文
5月25日交
毕业论文草稿
5．26-6．1
修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收
6月1日前
毕业论文定稿
6．2-6．8
准备和进行毕业论文答辩
教研室审核意见
教研室主任签名：
______年___月___日
学院意见
教学院长签名：
______年___月___日
注：
此表为参考表格，学院可根据专业特点，对该表格进行适当的修改。
南通大学本科生毕业设计（论文）开题报告
学生姓名
学号
专业
电气工程及其自动化
课题名称
基于CPLD与DDS技术的信号发生器的设计
阅读文献
情况
国内文献14篇
开题日期
2013-3-26
国外文献0篇
开题地点
11-612
一文献综述与调研报告：
（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）
1、课题研究现状
随着当今社会信息化，电子化的快速发展，无线通信技术越来越受到世界的关注。
特别是在军事现代化技术逐渐成熟的今天，军事通信与测量作为保证现代化作战的主要方式，如果军事无线通信设备或无线控制设备没有必要的抗干扰措施，在现代化战争的大规模对抗环境下，就会出现通信中断，控制失灵，从而陷入被动挨打的局面。
为了保证正常可靠的通信或系统控制，需要加大研究、创新各种通信理论并实现各种新型的通信设备的应用。
2、发展趋势
频率合成技术作为现在广泛使用的一种频率输出技术，不管是普通电子设备的制造还是最尖端的科学仪器，大多的功能实现都是直接依赖于基于频率合成器以及相关产品，因此频率合成器常被人们誉为电子系统的“心脏”，而频率合成理论也因此在二十一世纪得到了飞跃的发展。
早期的频率合成技术是把一个或多个已知模拟频率源通过倍频、分频、混频等模拟电路的调理与运算实现需求频率的产生，然后选用窄带滤波器的进行滤波得到输出。
由于这种技术是直接在物理电路上出发，通过对频率进行各种电路运算，所以被称为直接频率合成技术。
在二十世纪五十年代，由于反馈理论的发展和模拟锁相技术的出现，出现了频率的间接合成技术。
这种技术以一个或几个参考频率源为基础，通过谐波发生器的混频、分频产生出多个频率，随后通过频率之间的重新组合利用锁相环把输出频率锁定在频率值上，由压控振荡器间接产生所需频率。
这个技术被称为间接频率合成技术或锁相式频率合成技术，至今，通过这种原理设计出的各种频率合成设备依旧占有着大部分市场，是使用最广泛的一种频率合成技术。
随着电子技术数字化概念的出现与发展，在1971年美国学者J.Tierney，C.M.Rader和B.Gold三位科学家发表了关于数字化频率合成的一篇研究性文章，文中第一次提出了DDS（Directdigitalfrequencysynthesis，直接数字频率合成）的概念，DDS从相位的概念出发进，采用信号数据存储技术，具有精确的相位、极高的频率分辨力和快速的频率转换时间，是频率合成技术发展的一个创新。
但当时由于电子技术的落后以及信号处理水平不高等原因，DDS技术并没有受到很好的关注。
但是随着电子工程领域的不断发展与应用，数字集成电路的不断发展，更高精度的晶振源的出现，DDS技术逐渐显示出了其作为数字频率合成技术的优势，并同锁相频率合成技术一同发展壮大。
由于DDS具有其它合成技术不具备的优点，再经过科学理论的不断扩充与完善和电子集成工艺技术的大力发展，DDS已经开始走向应用化，走向产品化。
高科技的电子公司投入了大量的人力、物力，不断的推出DDS的跨时代产品。
并且在将来还会一直致力于DDS技术的研究与发展，可以说在未来DDS技术将有着最广阔的空间，有着最广泛的使用。
而DDS本身也由于设计原理的问题存在一些固有缺陷，但是基于锁相频率合成技术的优势正好可以弥补这种缺憾，而使用DDS技术和锁相环式频率合成技术相互融合，合并两种技术的优点，将成为整个频率源的核心发展趋势。
3、本课题研究的意义和价值
在通信设备的研制中，信号源或信号发生设备是整个通信系统的基础。
因此对于信号的建设就显得尤为重要，频率合成技术是产生信号源的最理想的方法，特别是数字化处理水平的提高，软件无线电思想的建立，让基于数字频率合成技术的信号源设备的产生成为了现实。
在信号发生设备建立后，在信号传输过程中必然会受到多种形式的电子干扰，特别是在军用领域这种干扰更加突出，为了能够提高系统的抗干扰能力，在信号源使用各种手段加强信号安全性，提高抗干扰能力就成为了一种解决方案。
常用的信号源设备在信号建设方面使用两种技术来防止大多数人为干扰，一种是通过对频率的控制包括各种扩频、跳频通信系统来实现，另一种是通过对系统的信号源采用伪随机编码来保证输出的信号难以解密来实现。
但是通过改变输出信号的调制模式来设计的信号发生器，增强信号抗干扰能力的设备还很少涉及。
为此本文以此为出发点，设计了一种基于DDS（直接数字频率合成）技术的多模信号发生器，该信号发生器不同于以往的设备，是以控制变换信号调制模式为前提，在信号发生时采用不同时间使用不同调制模式信号输出，从而降低系统的信号人为干扰，提高系统的保密性与稳定性，同时可以将信号编码与信号发生复用，作为信号调制设备使用。
多模信号发生器的设计为提高通信过程中信号抗干扰能力的研究提出了一种创新型解决方法。
参考文献：
1]王庆生,卢栋才.频率合成技术综述[J].通信对抗，2005
（2）:
3-10.
[2]王建明.基于DDS技术的多波形信号源设计[D].南京：
南京理工大学出版社，2005.15-18.
[3]朱正伟.EDA技术及应用[M].北京:
清华大学出版社，2005.
[4]李洪伟，袁斯华.基于QuartuSH的FPGA/CPLD设计[M].北京:
电子工业出版社，
2006年4月
[5]潘松，黄继业编著.EDA技术与VHDL[M].北京:
清华大学出版社，2006.20-30.
[6]王道宪，贺名臣，刘伟.VHDL设计技术[M].北京:
国防工业出版社，2003.145-152.
[7]乔钟纬,韩冬.基于CPLD和DDS实现的信号源[J].山西电子技术，2008（4）:
36-38.
[8]宋万杰，罗平，吴顺君.CPLD技术及其应用[M].西安:
西安电子科技大学出版
社，2000.89-98.
[9]乔庐峰,王志功.PEDRONIVA.CircuitDesignwithVHDL[M].北京:
电子工业出版社,2005.9-48.
[10]石熊.基于直接数字频率技术的研究与应用[D].武汉：
华中科技大学，2007.10-88.
[11]黄振华.基于FPGA函数信号发生器的设计与实现[D].江苏：
江苏大学，2009.
[12]黄蕾.基于单片机的DDS技术的应用与研究[D].湖南：
湖南大学,2005.
[13]周梦然.CPLD/FPGA的开发与应用[M].徐州：
中国矿业大学出版社，2007.
[14]雷能芳.DDS的Verilog设计及QuartusⅡ与Matlab联合仿真[J].现代电子技术，2009（12）:
163-164.
二本课题的基本内容，预计解决的难题
1、本课题基本内容：
本文的主要内容是研究并设计了一种基于CPLD控制的DDS多模信号发生器设备，该设备不同于以往的信号发生器，它可以以模块化的形式实现信号在多种调制模式的快速相互切换，生成的各种信号其持续时间长度可自由定义，并且可以设置发生的顺序，同时多模信号发生器具有存储并发射用户自定义信号的能力，即原则上可以产生任意波形信号。
整个系统产生的信号具有高精度、转换时间迅速、频带输出宽等优点。
对于不同的用户可以设置不同的信号产生方案，也是为广泛的无线探测与通信设备提供了良好的硬件支持与保障。
2、预计解决的难题：
1.编程能力的应用；
2.故障处理方法与设计；
三课题的研究方法、技术路线
技术路线为：
1、熟悉课题及要求，检索有关资料；
2、分析消化资料，撰写课题综述及开题报告；
3、掌握DDS控制技术和信号发生器工作原理，对整体硬件电路进行设计并对软件进行编程和仿真；
4、对信号发生器系统进行整体调试；
5、完成论文
四研究工作条件和基础
1、研究工作条件：
计算机一台
学生具有一定的编程基础及理论知识
五、进度计划
起讫日期
工作内容
2.21－3.13
查阅中文参考文献，翻译一份英文资料
3.14－4.1
消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告
4.1－4.30
消化吸收资料，设计硬件原理图和软件框图
4.28－4.30
毕业设计中期检查
5.1－5.17
制板、调试
5.18－5.24
撰写毕业论文（设计说明书）
5.25－6.2
修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收
6.3－6.7
准备和进行毕业论文答辩
论文阶段完成日期
文献调研完成日期
3.9
论文实验完成日期
5.20
撰写论文完成日期
6.2
评议答辩完成日期
6.11
指
导
教
师
评
语
导师签名：
_____________年___月___日
教
研
室
意
见
教研室主任签名：
年月日
学院
意见
通过开题（ ）
开题不通过（ ）
教学院长签名：
年月日
注：
此表为参考表格，学院可根据专业特点，对该表格进行适当的修改。
摘要
DDS（直接数字频率合成技术）是从相位的概念出发直接合成所需要波形的一种新理论，近些年来，随着VLSI（超大规模集成电路）、FPGA（现场可编程门阵列）、CPLD（复杂可编程器件）等技术的出现以及对DDS理论的进一步研究，DDS技术得到了飞速的发展。
本文使用VHDL语言，在CPLD和D/A转换电路、滤波电路、幅度放大电路支持下，实现了正弦波、方波和三角波的产生以及相关要求。
本文首先阐述了该课题的相关背景和意义以及CPLD的相关介绍，然后对VHDL语言以及QuartusII的相关介绍，并在此基础上介绍了DDS的原理以及整体设计方案：
以CPLD为控制中心利用其自带资源，将输入的值进行处理得到频率控制字，再经由正弦ROM表等DDS模块产生正弦波、方波和三角波。
关键词：
直接数字频率合成（DDS），CPLD，VHDL，D/A转换
ABSTRACT
DDS（directdigitalfrequencysynthesistechniques）istheconceptofthephaseneededtodirectsynthesisofanewtheoryofthewaveform，inrecentyears，asVLSI（verylargescaleintegratedcircuit），FPGA（FieldProgrammableGateArray），CPLD（complexprogrammabledevice）aswellastheemergenceoftechnologiessuchasDDStheoryandfurtherresearch，DDStechnologyhasbeenrapiddevelopment.
ThisarticleusestheVHDLlanguage，theCPLDandD/Aconversioncircuit，filtercircuit，theamplitudeamplificationcircuitsupport，toachieveasinewave，squarewaveandtriangularwavegenerationandrelatedrequirements.
Thispaperfirstdescribesthetopicrelevantbackgroundandsignificance，CPLDrelatedpresentations，andthenVHDLlanguageandquartusⅡrelatedpresentations，andonthisbasis，introducedtheprincipleofDDSandtheoveralldesign:
theCPLDcontrolcenterusesitsownwithresourcestohandlekeyboardinputvaluestoobtain
thefrequencycontrolword，andthenthroughquadrantmaps，tablesandotherDDSsineROMmodulegeneratesasinewave，squarewaveandtriangularwave，waveformfrequencybythekeyboardinputfrequency.
Keywords：
DDS（DirectDigitalSynthesizer），CPLD，VHDL，DAC
第一章引言
1.1课题背景及意义
1.1.1课题研究背景
上个世纪七十年代，在美国学术界产生了一种以全数字的频率合成原理技术为本质的想法，这种想法是由相位的概念引出并在此基础上直接合成所需要合成输出的波形的一种新理论，这就是被业界称为的直接数字频率合成技术——DDS（DirectDigitalSynthesizer）。
但由于当时技术的局限，此技术应用很少。
近30年来，随着VLSI（VeryLargeScaleIntegration），超大规模集成电路）、FPGA（FieldProgrammableGateArray可编程门阵列）、CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice复杂可编程器件）等技术的出现以及对DDS理论的深入理解，DDS技术发展迅猛。
在最近的20年，为了满足现代通信、先进探测等技术对信号源的频率稳定度、频谱信号的纯度以及可以输出信号频率范围有着越来越高的要求。
因此，直接数字频率合成（DDS）得到非常多的使用。
1.1.2课题研究意义
频率合成器的作用在现代电子系统中得到明显的体现，在许多地方都有应用。
比如，在雷达探测发射机的调制器载频信号由他供应，除此之外也为接收机提供信号；在测试仪器中，它可单独作为标准信号源；不仅如此，在数字调制方面，它调制实现FSK、QPSK、BPSK；在扩频通信领域，它可实现CDMA工作方式，它还可以实现多种规律的跳频模式。
在今天，电子技术应用越来越广泛，相应地各领域对频率控制器的要求也越来越具体，对频率转换速度、噪声程度、频率分辨的能力、器件的大小与能耗的多少等多种指标提出了相对苛刻的要求。
直接频率合成（DDS）有输出波形灵活且相位连续、频率稳定度高、输出频率分辨率高、频率转换速度快、输出噪声低、集成度高、功耗低、体积小等特点，因此它受到越来越多的重视和运用。
1.2FPGA/CPLD简介
1.2.1CPLD的基本结构及PLD的发展方向[5]
1.CPLD的基本结构
CPLD是ComplexProgrammableLogicDevice的缩写，其中文全称是复杂可编程逻辑器件。
CPLD由可编程逻辑宏单元及相应互连矩阵构成。
（1）可编程逻辑单元
在I/O方面，CPLD与FPGA基本是相同的，其与FPGA的主要不同在于，比FPGA
相对简单，由此带来的负面效应是应用范围得到了限制，同时，频率也相对较低。
（2）基本逻辑单元
CPLD中，有一些单元的组成部分比较多，有与门阵列，或门阵列，以及相应的触发器。
它们共同组成了基本逻辑单元，实际上它们即为宏单元。
在CPLD中，有个概念叫做乘积项，它本质上是一个阵列。
这个阵列输出的多少则显示了该CPLD的容量。
（3）布线矩阵
与FPGA相比，CPLD对的布线比较简单，当有功能程序输入CPLD的时候，CPLD在内部实际上是完成一个打节点的动作，从而实现宏单元之间的联系。
也正是由于CPLD的布线比较简单，所以当遇到一些特殊情况时，会难以布线。
因为CPLD的布线是固定对的，所以从输入到输出的延时可以计算出来也是固定的，用TPD来表示延时，它是CPLD速度等级的象征，同时也标明了该CPLD可以达到的最高频率。
（4）其他辅助功能模块
有全局时钟、使能、复位、置位功能模块等。
2.PLD工艺的发展方向
当某个器件被创造出来后，如果在创新上遇到了瓶颈，若要再次提升该器件的性能，则要靠制造工艺的发展。
例如英特尔处理器从几年前的40nm到如今的32nm制造工艺，使得芯片的
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