直接数字频率合成DDS方法.docx
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直接数字频率合成DDS方法
摘要
多功能信号发生器是信号发生器中的一种，广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面，是工程师进行产品研发和生产的必备仪器之一。
它的主要功能是为待测设备提供稳定、可靠并可以人工调节和控制的信号源。
本文采用由美国学者J.TierncyC.M.Rader和B.Gold1971年提出来的直接数字频率合成（DDS）方法，在CPLD可编程逻辑器件利用VHDL编写波形发生程序，实现多功能信号发生器。
本课题设计的多功能信号发生器利用CPLD可在线编程的特点、DDS的原理，可以实现多种频率、相位的方波、正弦波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。
在输出端接入可编程运放后，还能实现多种幅值的波形。
关键词：
多功能信号发生器DDS可编程逻辑器件VHDL数字系统设计
Abstract
Themulti-functionsignaltakeplacethemachinetoisinthesignaloccurrencemachineakindof,beingapplyintheelectronicstomeasureextensively,theelectricpowerengineering,thethingmineral勘explore,medicaltreatment,vibrationanalysis,thevoicelearnsanalysis,breaksdowntoexamineapatientandtheteachingresearchetc.isvarious,isoneoftheessentialinstrumentsthattheengineercarriesontheproductdevelopmentandproduce.Itsmainfunctionisfortreattomeasuretheequipmentstoprovidethestability,thecredibilityisalsocanwiththesignalofartificialregulateandcontrolsource.
ThedirectnumericalfrequencythatthisliterarygraceusetobeputforwardbytheAmericanscholarJ.TierncyC.M.RaderandB.Gold1971yearsynthesize（DDS）themethod,makinguseoftheVHDLplaittowriteaformoccurrenceprocedureintheCPLDprogrammablelogicmachinepiece,carryingoutthemulti-functionsignaloccurrencemachine.
Multi-functionsignaltheoccurrencemachineofthistopicdesignmakeuseofCPLDcanon-lineplaitdistanceofprincipleofcharacteristics,DDS,cancarryoutvariousfrequencies,mutuallythesquarewave,sinewave,trianglewave,theteethofasawwaveof,evenarbitrarilyaform.Afterexportationcarryconnecttogointotheprogrammablelucktoput,canstillcarryoutaformforbeworthofvarious.
Keywords:
Multi-functionalsignalgeneratorDDSCPLDVHDLThedesignofdigitalsystem
目录
第一章：
绪论……………………………………………………4
§1.1设计要求………………………………………………………4
§1.2信号发生器的发展历史………………………………………4
§1.3我国信号发生器市场现状………………………………………5
第二章：
多功能信号发生器的设计………………………………6
§2.1设计指导思想…………………………………………………6
§2.2信号发生器的构成………………………………………………7
§2.3波形发生设计…………………………………………………8
§2.1.1方波的发生………………………………………………8
§2.1.2锯齿波的发生……………………………………………8
§2.1.3三角波的产生……………………………………………9
§2.1.4正弦波的产生……………………………………………9
§2.1.5各种波之间的切换………………………………………10
§2.4信号仿真波形…………………………………………………11
§2.5数字信号的数模转换…………………………………………12
第三章：
结论……………………………………………………14
§3.1多功能信号发生器的功能……………………………………14
§3.2多功能信号发生器的改进思想………………………………14
第四章：
谢辞……………………………………………………15
第五章：
参考文献………………………………………………16
第一章绪论
测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测，其中激励仪器主要是各类信号发生器。
多功能信号发生器是信号发生器中的一种，广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面，是工程师进行产品研发和生产的必备仪器之一。
它的主要功能是为待测设备提供稳定、可靠并可以人工调节和控制的信号源，如正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声和扫频信号以及用户定义的任意波形。
§1.1设计要求
要求用CPLD器件实现多功能发生器，可以输出四种波形，分别是方波、锯齿波、三角波和正弦波。
VHDL即超高速集成电路硬件描述语言，主要用于描述数字系统的行为、结构、功能和接口。
用VHDL语言编写波形发生程序。
§1.2信号发生器的发展历史
作为工业产品特别是电力、电子产品的研制和生产领域中最重要的测试设备之一，信号发生器的发展历史可以追溯到上世纪40年代。
1943年惠普为海军研究实验室开发了第一台信号发生器，从而使得人们在测试设备时可以利用可控的信号源进行比较完善和安全的测试和测量。
在随后的二十年间，信号发生器一直随着电子技术、计算机技术的发展而发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。
从技术上看，信号发生器经历了由模拟信号发生器、数字式信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程。
从四十到六十年代，信号发生器都是完全用以电子管工艺为基础的模拟电路搭建的，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器，其信号的精度和可控性都不好，而且可产生的信号的种类很少，对于较复杂的信号，其电路都非常复杂，造成体积庞大，不易移动。
六七十年代，随着晶体管工艺的出现、大规模和超大规模集成电路的应用，数字电路在信号发生器中得到广泛的应用，从而大大提高了信号发生器的精度，减少了电路本身产生的造神，体积也大为缩小。
八十年代开始，计算机已经在工业生活中逐渐占据了重要的位置，信号发生器也开始从纯粹的由分立元件搭建改为以微处理器为核心的集成系统，这时候的新号发生器已经发生重大的变化，比如说，它所能产生信号的种类大大增加；通用性得到很大的提高；任意波信号可以通过人工设定在同一台信号发生器中产生；频宽也大大地增加了；过去的多种类的新号发生器也简单地划分为低频和高频两种，低频信号的频宽从0~50MHZ，高频则可达到20GHZ以上，但它仍存在人机界面不友好，软硬件升级维护困难等缺点。
九十年代以后虚拟一起进入了人们的视野。
这种完全以计算机软件为核心，辅以相应的硬件设备的测试系统代表了未来测试仪器的发展方向。
人们可以在友好的人机见面环境中轻松地进行各种复杂的操作，信号发生器也从一个完全独立的测试设备，而成为整个虚拟仪器系统中一个必不可少的子模块。
信号发生器中的一项关键技术是信号频率的变动控制。
早期的信号发生器大都借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其他函数波形，频率的变动由机械驱动可变元件（如电容器或谐振腔）来完成，其缺点是显而易见的，那就是频率不稳，噪声大，频率的改变控制不容易，这就催生了锁相频率合成器（PhaseLockedFrequencySynthesize）。
这是一次技术上的飞跃，它基于锁相环路原理，从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器中综合处大量离散频率，集成度高，可靠性好且价格低廉，直到现在锁相频率合成仍然是工程应用中最为普遍的技术。
而直接数字频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesize，DDFS）则是近几年来最新发展的技术，它完全摆脱间接数字合成的乘法/除法电路，直接在基准时钟的准确相位控制下获得合成频率输出，其频率控制模块中的相位累加器由寄存器和加法器组成，相位信息存储在波形存储器内，再经数模转换后输出最低合成频率，随着频率控制输入的增长，输出合成频率亦增加。
相位累加器的宽度增加时，输出合成频率的准确度相应增加。
DDFS频率变换速度主要取决于累加器和数模转换器的开关时间，显然要比模拟电路快得多，因此广泛采用DDFS技术是必然的发展趋势。
§1.3我国信号发生器市场现状
目前我国经济开始进入一个新的发展时期，经济的快速发展将加快企业的技术改造步伐，各行业特别是电子、通信行业对先进任意波的需求更加强劲。
据最新电子商情报道，从1998年开始，由于国家采取了扩大内需发展经济的决策，扩大了国产任意波发生的市场，销量增长都在30%左右。
但我国的任意波发生器市场大部分被国外产品所占领，国内产品市场占有率很低。
目前，Anritsu、Agilent、Advantest、R/S、TEKTRONIX、NI几家著名仪器公司都在生产各类任意波信号发生器，如Agilent公司生产的HP33120A函数/任意波发生器、Advantest公司生产的33120A函数/任意波发生器。
Agilent的信号发生器一直是业界公认的高水平仪器，而且种类和型号最多，产品功能全、技术含量高。
近几年Anritsu、Agilent、Advantest、R/S，NI等外国公司在我国的销售额逐年大幅度上升，Agilent公司在中国销售的任意波信号发生器已极大地超过国内产品。
我国的仪器技术水平在发展中国家处于领先地位，且价格便宜。
境外有的销售商已把目标转向国内的产品，出口到北美、欧洲、东南亚的任意波发生器逐年增加，所以扩大外销产品是扩大国产任意波市场的一条重要出路。
总之，努力开发拥有自主知识产权的先进任意波信号发生器已成为我国仪器行业的当务之急。
只有这样美国产任意波信号发生器才能在竞争激烈的国内仪器市场中占有一席之地。
第二章多功能信号发生器设计
§2.1设计指导思想
用大规模CPLD设计多功能信号发生器，要求能够输出方波、锯齿波、三角波、正弦波。
具体是用VHDL硬件描述语言编写多功能信号发生器程序，经过编译、仿真，再下载到CPLD器件上，再经数模转换器输出各类波形。
1．CPLD（COMPLEXProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件）属于最具有代表性的IC芯片之一。
CPLD基本上是由多个SPLD（SIMPLEPLD）在单片上的集成，集成度高，可以实现比较复杂的电路或系统。
CPLD的优点是其结构的规则性，可以较好地预测定时（延时）时间。
CPLD的市场增长极快，已广泛用于各个领域。
CPLD是大规模集成电路技术的飞速发展与计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助测试（CAT）相结合的一种产物，是数字逻辑电路向着超高集成度、超低功耗、超小型封装和专用化方向发展并采用“阵列逻辑”技术生产的器件。
在CPLD上，工程师能根据自己的要求来实现所需要的逻辑功能。
通常利用计算机辅助设计，用原理图、布尔方程、状态机、HDL等方法来表示设计思想，经编译或转换后形成jedec文件或目标机器能接受的文件格式，通过编程器和下载线，下载到目标器件中。
这就将CPLD设计成了符合用户要求的ASIC了。
CPLD已广泛用于通信、电子、自动化等各个领域，它们在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，或者说在单一芯片上集成了数字电路，模拟电路信号采集和转换电路、存储器、MPU、MCU、DSP、MPEG等，实现了过去一个需要多片集成电路才能完成的功能，集成读高，速度快，功耗小，可靠性高等特点。
CPLD器件正在向在系统可编程（INSYSTEMPROGRAMMMABLE—ISP）方向发展，即CPL的器件不仅具有可编程和可再编程的能力，而且只要把PLD器件插在系统内或电路板上，就能编程，不需要使用额外的编程器，使系统内的硬件功能可以像软件一样地被编程配置，从而可以实时地进行灵活方便的更改和开发。
这种成为“软”硬件的全新的系统设计概念，为数字系统的设计和许多复杂的信号处理的实现提供新的思路和方法，使电子系统具有极强的灵活性和多功能的适应性。
2．VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuit（VHSIC）HardwareDescriptionLanguage）作为IEEE标准所规范的硬件描述语言，随着各种EDA工具和集成电路厂商的普遍认同和推广，目前正在全球范围内先进国家的电子系统设计领域获得广泛应用。
在硬件电子电路设计领域中，设计自动化工具已经被广大电子工程师所接受，它必将取代人工设计方法，成为主要的设计手段。
电子设计自动化的重要特征就是要求采用形式化语言来描述硬件电子电路的功能，即使用硬件描述语言来描述硬件电子电路。
目前，作为硬件描述语言之一的VHDL已经成为各家EDA工具和集成电路厂商所普遍认同和共同推广的标准化硬件描述语言。
掌握VHDL语言，学会用VHDL语言设计硬件电子电路，是每个电子工程师所必须掌握的一项基本技能。
3．MAX+PLUS2是Altera公司开发的一个软件设计平台。
本文重点要探讨的是用VHDL来设计数字电路。
在Altera公司的MAX+PLUS2设计软件上用VHDL设计了波形发生器，成功地进行了波形仿真，并下载到实验板上进行了验证。
MAX+PLUS2是在WINDOWS环境下开发的可编程逻辑设计平台。
该平台将数字电路设计集成在一个环境内，它支持Altera公司各种可编程器件，允许多种输入方式逻辑设计文件。
经过系统编辑器的编译、综合等操作，可对设计进行功能模拟，对数字电路的设计实现同步模拟分析、延时时间分析、编译，最后将编译好的电路分配到一个或多个器件中。
MAX+PLUS2软件进行逻辑设计的过程主要有四个阶段：
设计输入、设计处理、设计校验、和器件编程。
本设计运用Altera公司的F10K10下载板系列中的芯片（EPF10K10LC84-3：
密度10000门；封装PLCC84；频率高于150MHZ；I/O口55个）。
4．随着电子技术的不断发展与进步，电子系统的设计方法发生了大的变化，由上述可知基于EDA技术的芯片设计成为电子系统设计的主流。
大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可变成专用集成电路（ASIC），电子设计工程师利用它可以在办公室和实验室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短了产品上市时间，降低了开发成本。
此外，它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。
因此掌握可编程逻辑器件的应用在电子设计中具有置关重要的意义。
§2.2信号发生器的构成
本设计利用VHDL硬件描述语言对信号发生器的电路进行硬件描述，把描述的整个电路通过动态配置写进CPLD芯片。
CPLD芯片输出的波形是数字信号，要在示波器上观察其波形输出是否正确，就必须是模拟信号，所以还必须利用数模准换芯片把数字信号转换为模拟信号。
如图所示，信号发生器是由五部分组成。
分别是：
控制部分、数模转换部分、时钟输入、键控输入。
控制部分由CPLD器件完成，它是信号发生器的主要部分，所有的数字波形信号都是从这里输出。
控制部分输出的数字信号经过D/A芯片TLC7528转换后得到模拟信号。
这时输出的是电流信号，必须经过一级运放后得到电压信号。
键控输入部分主要是波形的选择。
图2-1多功能信号发生器电路框图
§2.3波形发生设计
信号发生器设计了四种波形，分别是方波、锯齿波、三角波和正弦波。
信号发生采用直接数字频率合成方法（DDS）。
直接数字频率合成（DDS）是指从相位概念出发直接合成所需波形。
它是由美国学者J.TierncyC.M.Rader和B.Gold1971年提出来的，并随着技术和器件水平的提高,得到了飞速的发展。
它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者:
（1）它具有非常快的频率切换速度。
目前,DDS的调谐时间一般在ns级,比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级;
（2）它其有极高的频率分辨率。
大多数DDS的分辨率在HZ、mHZ至μHZ的数量级;（3）它具有优良的低相位噪声和低漂移性能。
DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定,而在大多数DDS系统应用中,一般由固定的晶振来产生基准频率,所以其相位噪声和漂移特性是极为优异的。
另处,DDS还具有一系列如：
连续的相位变化、在极宽的频带范围内输出幅度平坦的信号和易于集成、易于调整等优点。
DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。
文中DDS的数字合成正弦波的基本工作原理就是将一个正弦波信号分为512个点,按一定的速率依次周期性输出每一点的正弦波幅值对应的数据,将该数据通过高速D/A转换后以得到一个周期的正弦波信号,并通过改变每一点正弦波幅值数据输出的速率来改变正弦波信号源的频率。
§2.1.1方波的发生
方波是在数字信号中比较容易得到的一种波形,由于它只有两个值无论是使用什么方法都是比较易形成的。
在本程序中我们只需要注意各种波形的交叉就可以了。
方波的程序如下：
process（clk,y,q）
begin
if（clk'eventandclk='1'）then
q<=q+1;
l<=l+1;
ify='1'then
ifq<32then
d1<=0;
else
d1<=255;
endif;
endif;
endif;
endprocess;
§2.1.2锯齿波的产生
锯齿波的波形如图所示：
图2-2锯齿波波形
锯齿波波形数据可以由256个点构成，对周期内的256个点按线性关系赋值就可以得到锯齿波的波形数据。
具体程序如下：
process（clk,a,d2）
begin
if（clk'eventandclk='1'）then
ifa<='1'then
ifd2<255thend2<=d2+1;
elsed2<=0;
endif;
endif;
endif;
endprocess;
§2.1.3三角波的产生
根据三角波的图形特点，同样可以把波形周期分成512个点，对每个点按线性赋值就可以了。
程序如下：
process（clk）
begin
if（clk'eventandclk='1'）then
ifx<='1'then
ifl<256then
q1<=l;
else
q1<=q1-1;
endif;
endif;
endif;
endprocess;
§2.1.4正弦波的产生
本部分主要是通过制造一个正弦波的波形表通过对表格的循环采样来实现正弦波的产生。
其中表格是通过计算得来的。
首先将一个周期中的波形分为若干点例如50个点则将这50个点所对应的电压计算出来在与标准电压进行比较，然后进行模数换算使其变成数字量然后进行赋值。
事实上CPLD只是对数字信号进行控制因而要变为模拟量就需要进行数模变换。
正弦波的数字信号程序如下：
process（q）
begin
ifz='1'then
caseqis
when00=>d<=255;when01=>d<=254;
when02=>d<=252;
when03=>d<=249;when04=>d<=245;
when05=>d<=239;
when06=>d<=233;when07=>d<=225;
when08=>d<=217;
when09=>d<=207;when10=>d<=197;
when11=>d<=186;
when12=>d<=137;when13=>d<=162;
when14=>d<=150;
when15=>d<=137;when16=>d<=124;
when17=>d<=112;
when18=>d<=99;when19=>d<=87;
when20=>d<=75;
when21=>d<=64;when22=>d<=53;
when23=>d<=43;
when24=>d<=34;when25=>d<=26;
when26=>d<=19;
when27=>d<=13;when28=>d<=8;
when29=>d<=4;
when30=>d<=1;when31=>d<=0;
when32=>d<=0;
when33=>d<=1;when34=>d<=4;
when35=>d<=8;
when36=>d<=13;when37=>d<=19;
when38=>d<=26;
when39=>d<=34;when40=>d<=43;
when41=>d<=53;
when42=>d<=64;when43=>d<=75;
when44=>d<=87;
when45=>d<=99;when46=>d<=112;
when47=>d<=124;
when48=>d<=137;when49=>d<=150;
when50=>d<=162;
when51=>d<=174;when52=>d<=186;
when53=>d<=197;
when54=>d<=207;when55=>d<=217;
when56=>d<=225;
when57=>d<=233;when58=>d<=239;
when59=>d<=245;
when60=>d<=249;when61=>d<=252;
when62=>d<=254;
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