基于FPGA的直接数字频率合成器的设计.doc

1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书 I 基于 FPGA 的直接数字频率合成器的设计 草鱼 草鱼 摘要 草鱼 草鱼在频率合成领域 ， 鲤鱼 常用的频率合成技术有直接模拟合成 、 pork模拟锁相环 、 po r k小数分频锁相环等 ， 鲤鱼 直接数字频率合成 （ Direct 草鱼 Digital 草鱼 Frequency 草鱼 Synthesis 草鱼 ， 鲤鱼 DDFS， 鲤鱼 简称 DDS） 是近年来的新的频率合成技术 。 草鱼 本文介绍了直接数字频率合成器的基本组成及设计原理 ， 鲤鱼 给出了基于 FPGA 的具体设计方案及编程实现方法 。 草鱼 仿真结果表明 ， 鲤鱼 该设计简单合理

2、， 鲤鱼 使用灵活方便 ， 鲤鱼 通用性好 ， 鲤 鱼 可写入各种FPGA 芯片 ， 鲤鱼 最高可 将频率提高 100 万倍 。 草鱼 具有良好的性价比 。 草鱼草鱼 草鱼 关键 词 草鱼直接数字频率合成器 (DDS) 草鱼 草鱼 FPGA 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 II Design 草鱼 of 草鱼 direct 草鱼 digital 草鱼 frequency 草鱼 synthesizer 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 FPGA 草鱼 草鱼

3、 Abstract 草鱼 草鱼In 草鱼 Frequency 草鱼 domain, 草鱼 the 草鱼 common 草鱼 Synthesis 草鱼 technology 草鱼 has 草鱼 Direct 草鱼simulation, 草鱼 phase 草鱼 lock 草鱼 loop 草鱼 simulation, 草鱼 decimal 草鱼 Frequency 草鱼 and 草鱼 phase 草鱼 lock 草鱼 loop, 草鱼 Direct 草鱼 Digital 草鱼 Frequency 草鱼 Synthesis 草鱼 (as 草鱼 some 草鱼 DDFS, 草鱼 Digital, 草鱼

4、referred 草鱼 to 草鱼 as 草鱼spurious 草鱼 bio-synthesis) 草鱼 in 草鱼 recent 草鱼 years 草鱼 is 草鱼 the 草鱼 new 草鱼 Frequency 草鱼 Synthesis 草鱼technology. 草鱼 The 草鱼 structure 草鱼 草鱼 and 草鱼 草鱼 principles 草鱼 of 草鱼 Direct 草鱼 Digital 草鱼 Frequency 草鱼Synthesizer 草鱼 is 草鱼 introduced. 草鱼 Also 草鱼 a 草鱼 detailed 草鱼 design 草鱼 and 草

5、鱼 the 草鱼 method 草鱼 of 草鱼 program 草鱼realization 草鱼 based 草鱼 on 草鱼 FPGA 草鱼 are 草鱼 introduced. 草鱼 The 草鱼 result 草鱼 of 草鱼 simulation 草鱼 shows 草鱼 that 草鱼the 草鱼 design 草鱼 is 草鱼 simple 草鱼 and 草鱼 feasible, 草鱼 convenient 草鱼 and 草鱼 flexible, 草鱼 high 草鱼 universality, 草鱼writeable 草鱼 various 草鱼 FPGA 草鱼 chip, 草鱼

6、the 草鱼 highest 草鱼 frequency 草鱼 can 草鱼 be 草鱼 100 草鱼 million 草鱼 times. 草鱼Ratiofor 草鱼 quality 草鱼 to 草鱼 price.草鱼 草鱼 Keywords 草鱼 草鱼 Direct 草鱼 Digital 草鱼 frequency 草鱼 Synthesizer(DDS) 草鱼 草鱼 FPGA 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 III 草鱼 前言 草鱼 草鱼 在频率合成领域 ， 鲤鱼 常用的频率合成技术有

7、直接模拟合成 、 pork模拟锁相环 、 pork小数分频锁相环等 ， 鲤鱼 直接数字频率合成 （ DDS） 是近年来的新的频率合成技术 。 草鱼 DDS 以稳定度高的参考时钟为参考源 ， 鲤鱼 通过精密的相位累加器和数字信号处理 ， 鲤鱼 再通过高速 D/A 变换器产生所需的数字波形 ， 鲤鱼 这个数字滤波经过一个模拟滤波器后 ， 鲤鱼 得到最终的模拟信号波形 。 草鱼 DDS 是产生高精度 、 pork快速频率变换 、 pork输出波形失真小的优先选用技术 。 草鱼草鱼 随着可编程逻辑器件的飞速发展 ， 鲤鱼 使用 FPGA（ Field Programmable 草鱼 Gate 草鱼 A

8、rray）设计 DDS 系统成为一种很好的选择 ， 鲤鱼 由于 FPGA 现场可编程 ， 鲤鱼 设计复杂或者简单系统完全从实际需要出发 ， 鲤鱼 通过重写 RAM/ROM 数据 ， 鲤鱼 可以做到任意波形输出和动态波形输出 ， 鲤鱼 这是其他方法所无法比拟的 。 草鱼 本章提出了一种基于 FPGA 的直接数字频率合成设计方法 ， 鲤鱼 并利用比例乘法器 ， 鲤鱼 将频率分辨率提高到惊人的程度 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 IV 草鱼 目录 草鱼 草鱼 1 草鱼 草鱼 草鱼D

9、DS原理 1 草鱼 1.1 草鱼 草鱼 直接模拟（ DAS） 1 草鱼 1.2 草鱼 草鱼 间接式频率合成（ PLL） 1 草鱼 1.3 草鱼 草鱼 直接数字频率合成（ DDS） 2 草鱼 2 草鱼 草鱼 草鱼 系统设计 5 草鱼 2.1 微控制器接口模块 7 草鱼 2.2 草鱼 草鱼 相 位累加寄存器 7 草鱼 2.3 双端口 RAM 7 草鱼 3 模块设计与实现 14 草鱼 3.1 草鱼 草鱼 微控制器接口模块 14 草鱼 3.1.1 分频寄存器（ FWORD1-FWORD4)15 草鱼 3.1.2 控制寄存器（ DDSCR) 15 草鱼 3.1.3 数据输入寄存器（ DATA） 16 草

10、鱼 3.2 草鱼 草鱼 比例乘法器模块 28 草鱼 3.3 草鱼 草鱼 相位累加器模块 32 草鱼 3.4 草鱼 草鱼 双端口 RAM模块 34 草鱼 草鱼 致 草鱼 草鱼谢 40 草鱼 参考文献 41 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 DDS 原理 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 顾名思义频率合成技术 ， 鲤鱼 就是能从一个高稳定和准确度的标准频率中产生千百万个同一高稳定度和准确度的频率 。 草鱼 频率合成技术广泛地应用于通信 、 pork导航 、 pork雷达 、 pork仪器仪表 、 pork军事装备等领域 、 pork现代

11、的电子系统对频率合成器提出越来越高的要求 ， 鲤鱼 主要表现在 ： pork转换速度快 、 pork频段宽 、 pork步进间隔小 、pork杂散小 、 pork体积小 、 pork重量轻 、 pork功耗低等 。 草鱼 随着大规模集成电路的发展 ， 鲤鱼 频率合成技术日趋完善 ， 鲤鱼 目前 ， 鲤鱼 主要有以下几种方式 。 草鱼草鱼 草鱼 1.1 草鱼 草鱼直接模拟（ DAS） 草鱼 直接模拟合成技术是通过对标准参考频率进行加 、 pork减 、 pork乘 、 pork除 运算而合成一系列相干频率 ， 鲤鱼 其换频率速度主要由电路部件响应速度决定 ， 鲤鱼 相位噪声指标也还不错 。 草鱼

12、 主要技术问题是杂波干扰 ， 鲤鱼 由于直接模拟合成引入了大量的混频器 、 pork倍频器 、 pork分频器 ， 鲤鱼 这些 非线性的部件使得杂波抑制相当困难 、 pork在实际应用中 ， 鲤鱼 这种技术的电路结构比较复杂 ， 鲤鱼 体积 、 pork重量 、 pork成本等方面缺点大大限制其应用 、 por k草鱼 草鱼 1.2 草鱼 草鱼间接式频率合成（ PLL） 草鱼 间接式频率合成技术重要有鉴频器 、 p ork环路滤波器 、 pork压控振荡器 、 pork分频器等 4个基本部件构成 ， 鲤鱼 如下图 1-1 所示 。 草鱼 锁相环是一个相位误差反馈控制系统 ，鲤鱼 它比较输入信号

13、和压控振荡器经分频后输出信号之间的相位差 ， 鲤鱼 从而产生误差控制电压来调整压控制振荡器的输出频率 ， 鲤鱼 以达到与输 入信号倍频的关系 。 草鱼 锁相环的频率转换速度与环路滤波器的带宽有关 ， 鲤鱼 环路带宽越宽 ， 鲤鱼 转换速度越快 ， 鲤鱼 而环路带宽又取决于鉴相器频率 。 草鱼 才用这种技术产生的频谱较纯 ，鲤鱼 系统体积小 、 pork重量轻 、 pork成本低 、 pork易集成 ， 鲤鱼 具有广泛的应用前景 。 草鱼 但是 ， 鲤鱼 它也有一个致命的缺点 ， 鲤鱼 就是在高分辨率情况下 ， 鲤鱼 换频速度较慢 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 河南理工大学毕业设

14、计（论文）说明书 2 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 图 草鱼 1-1 草鱼 锁相环电路基 本结构 草鱼 为了解决高分辨率于高鉴相频率之间的矛盾 ， 鲤鱼 可以采用多环技术或者小数分频技术 。 草鱼 如果要求分辨率很高 ， 鲤鱼 那么采用多环 PLL 就显得电路结构复杂 、 pork成本高 、 p ork调试困难 ； pork而采用小数分频技术 ， 鲤鱼 可以轻易解决高分辨率问题 ， 鲤鱼但是小数分频的主要问题是“尾数难抑” ， 鲤鱼 国内外对这方面的研究不少 ， 鲤鱼 但是还没有彻底解 决 。 草鱼草鱼 草鱼 1.3 草鱼 草鱼直接数字频率合成（ DDS） 草鱼 草鱼 草鱼

15、草鱼 草鱼 草鱼 DDS 的概念最初是有美国学者 J.Tierncy， 鲤鱼 C.M.Rader 草鱼 和 草鱼 B.Gold 草鱼 提出的 ， 鲤鱼 它是以全数字技术 ， 鲤鱼 从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术 ， 鲤鱼 典型的 DDS 系统由相位累加器 ， 鲤鱼 波形查找表（ ROM/RAM） ， 鲤鱼 D/A， 鲤鱼低通滤波器（ Low 草鱼 Pass 草鱼 Filter 简称 LPF） 构成 ， 鲤鱼 如图 草鱼 1-2所示 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 分频器 鉴相器 压控振荡器 低通滤波器 合成频率 参考频率 低通滤波器 m

16、 inf outf相位累加器 波形查找表 D/A 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3 草鱼 图 草鱼 1-2 草鱼 DDS 原理框图 草鱼 图中 ， 鲤鱼 m为相位累加器步长 ， 鲤鱼 也有资料称为频率 控制字 ， 鲤鱼 inf 是参考频率 ， 鲤鱼 outf是合成频率 。 草鱼 其系统的核心是相位累加器 ， 鲤鱼 它由一个累加器和一个 n位相位寄存器组成（ 也可用带有输出锁存的累加器代替 ） ， 鲤鱼 如图 1-3所示 。 草鱼 每来一个时钟脉冲 inf ， 鲤鱼 相位累加器以步长 m 累加 ， 鲤鱼 其结果作为波形查找表地址 。 草鱼当相位累加器加满量程 ， 鲤鱼 就会产生一次溢出 ，

17、 鲤鱼 完成一个周期性的动作 ， 鲤鱼 这个周期是合成信号的一个 周期 ， 鲤鱼 换句话说 ， 鲤鱼 累加器的溢出频率也就是 DDS 的合成信号频率 。 草鱼草鱼 相位累加器的输出数据作为波形查找表地址 ， 鲤鱼 进行波形的相位 幅值的转换 ， 鲤鱼 即可在给定的时间上确定输出波形的抽样幅值 ， 鲤鱼 如图 1-4所示 。 草鱼 n位的寻址 RAM/ROM 相当于把 02 正弦信号离散成具有 2n 个样值的序列 ， 鲤鱼 以二进制数值形式存储在 2n 个地址单元 ， 鲤鱼 按照地址不同输出相应的信 号幅值 。 草鱼草鱼 D/A 转换器的作用是把合成的数字波形转换成模拟波形 。 草鱼 离散量化幅

18、度序列S(n)经 D/A 转换后 变成了阶梯波 S(t),值得注意的是 ， 鲤鱼 频率合成系统对 D/A转换器的分辨率有一定要求 ， 鲤鱼 D/A 转换器的分辨率越高 ， 鲤鱼 合成的阶梯波 S(t)台阶数越多 ， 鲤鱼 输出的波形的精度也就越高 ， 鲤鱼 减少了量化失真 。 草鱼 草鱼 草鱼 图 草鱼 1-3 草鱼 相位累加器 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 图 草 鱼 1-4 草鱼 相位幅度变换原理图 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 低通滤波器的作用不容忽视 。 草鱼 对 D/A 输出的阶梯波 S(t)进行频谱分析 ， 鲤鱼 可知 S(t)中除了主频 outf 外 ， 鲤鱼 还存在

19、分布在 inf ， 鲤鱼 2inf 两边 outf 处的非谐波分量 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 为了取出 主频 outf ， 鲤鱼 必须在 D/A 转换器的输出端接入截止频率为 2inf 的低通滤波器 。 草鱼草鱼 寄存器 累加器步长 m 参考时钟 fin 相位码序列 幅度量化序列 数据 相位吗序列 地址 波形存储器 （ ROM/RAM） 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4 DDS 具有以下特点 ： pork草鱼 (1) 草鱼 频率分辨率高 。 草鱼 DDS 的频率分辨率在 inf 固定时 ， 鲤鱼 取决于相位累加器的位数 n， 鲤鱼 只要 n足够大 ， 鲤鱼 理论上就可以获得相应的分辨率精

20、度 ， 鲤鱼 这是传统方法难以实现的 。 草鱼草鱼 (2) 草鱼 频率变换速度快 。 草鱼 在 DDS 中 ， 鲤鱼 一个频率的建立时间通常 取决于滤波器的带宽 。 草鱼 影响因素为相位 累加器 ， 鲤鱼 ROM/RAM 的工艺结构 ， 鲤鱼 D/A 转换器及它信号处理过程中可能产生的时延 。 草鱼 其中 ， 鲤鱼 信号处理的时延与时钟周期相关 。 草鱼 由于DDS 中不要 相位反馈控制 ， 鲤鱼 频率建立及切换快 ， 鲤鱼 与频率分辨率 ， 鲤鱼 频谱纯度相互独立 ， 鲤鱼 明显优于 PLL。 草鱼草鱼 (3) 草鱼 DDS 中相位改变是线性过程 。 草鱼 数字相位累加器是优良的线性数字增值

21、发生器 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 DDS 的相位误差主要依赖于时钟的相位特性 ， 鲤鱼 相位误差小 。 草鱼 另外 ， 鲤鱼 DDS 的相位是连续变化的 ， 鲤鱼 形成的信号具有良好的频谱特性 ， 鲤鱼 这是传统的直接频率 合成法所无法实现的 。 草鱼草鱼 (4)输出频率范围宽 。 草鱼 草鱼 理论上 ， 鲤鱼 DDS 输出的频率范围在 0 /2inf ， 鲤鱼 实际上 ， 鲤鱼考虑到低通滤波器的设计 ， 鲤鱼 为 40%inf ， 鲤鱼 而 FPGA 的时钟频率可达到 100MHz，鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 利用 FPGA， 鲤鱼 可以实现输出频率范围很宽的信号 。 草鱼草鱼 根据前面的讲述 ，

22、 鲤鱼 可以得到一下公式 ： pork草鱼 2nout inTTm 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草 鱼 草鱼草鱼 2 inout nff m 草鱼 2inout nff 草鱼 max 2out ff 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 其 中 ， 鲤鱼 outT 是输出波形的周期 ， 鲤鱼 n是相位累加器位数 ， 鲤鱼 m是相位累加器步长 ，鲤鱼 inT 是输入波形周期 。 草鱼 inf 是参考频率 ， 鲤鱼 outf 是输出波形频率 ， 鲤鱼 outf 是最小分辨率 ， 鲤鱼 maxoutf 是最高合成频率 。 草鱼 根据奈奎斯特（ Ny

23、quist）定理 ， 鲤鱼 即采样频率必须不小于被采样信号的最高频率 ， 鲤鱼 否则原信号不能被恢复 ， 鲤鱼 所以当 12nm 时 ， 鲤鱼 得到最高合成频率 ， 鲤鱼 当然 ， 鲤鱼 这仅是理论值 ， 鲤鱼 实际上与 D/A 精度 、 pork转换速度 ， 鲤鱼 滤波网络性能密切相关 ， 鲤鱼 一般取 max40%outf ， 鲤鱼 例如 ， 鲤鱼 晶振时钟为 100MHz时 ， 鲤鱼 可知输出合成波频率将出现在较宽频段上 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼

24、草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 2 草鱼 草鱼系统设计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 本章所需要设计 的直接数字频率合成系统与前面介绍的 DDS 原理完全一致 。 草鱼 从实现方式 上看 ， 鲤鱼 有如下特色 ： pork草鱼 (1) 草鱼 引入 8 级级联 的 BCD 比例乘法器 ， 鲤鱼 将频率分辨率提高 100 万倍！ 草鱼 (2) 草鱼 利用 FPGA 内部嵌入式存储单元 ， 鲤鱼 在 FPGA 内部集成了 2Kbit 容量双端口RAM， 鲤鱼 降低了硬件难度 ， 鲤鱼 提高了系统可靠性 。 草鱼草鱼 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 6 从前面的介绍中可

25、以知道 ， 鲤鱼 增加相位累加器的位数 n， 鲤鱼 可以提高频率分辨率 ，鲤鱼 最低输出频率可达 Hz、 porkmHz 甚至是 Hz， 鲤鱼 即 DDS 的最低合成频率接近零频 。草鱼 有人计算过 ， 鲤鱼 如果 inf 为 50MHz， 鲤鱼 那么当 n 为 48 位时 ， 鲤鱼 其分辨率可达 179nHz。草鱼 但是 ， 鲤鱼 增加相位累加器的位数 n将使加法算法过于庞大 ， 鲤鱼 消耗惊人的 FPGA资源 。 草鱼 何不从 inf 入手 ， 鲤鱼 对 inf 实现任意可分频 ， 鲤鱼 利用降低 inf 来换取高分辨率呢 ？ pork草鱼 事实证明 ， 鲤鱼 使用比例乘法器是可行的 ，

26、鲤鱼 经过 8级 BCD 比例乘法器的分频 ， 鲤鱼分频比达到 810:1 ， 鲤鱼 例如 ， 鲤鱼 晶振频率为 100MHz， 鲤鱼 经过分频 inf 可以是 8110 Hz任意整数频率 ， 鲤鱼 整个分频模块仅消耗 65个宏单元 。 草鱼草鱼 现代 FPGA 内部集成了存储单元 ， 鲤鱼 这些是宝贵的存储资源 ， 鲤鱼 通常只有通过利用开发商提供的知识产权核（ IP 草鱼 CORE）才能使用 ， 鲤鱼 这些知识产权核经过严格的测试和优化 ， 鲤鱼 可以在特定器件上发挥最大效能 ， 鲤鱼 利用这些模块 ， 鲤鱼 就是将优秀 EDA 开发人员的硬 件成果嵌入到自己设计中 ， 鲤鱼 缩短了开发时

27、间 ， 鲤鱼 提高了效率 。 草鱼草鱼 本章设计的参数选取如下 。 草鱼草鱼 由相位累加器位数 n=8， 鲤鱼 存储容量 256 8=2048 草鱼 bit， 鲤鱼 晶振频率为 100MHz， 鲤鱼可知 ： pork草鱼 (1) 草鱼 频率分辨率 草鱼 8m i n 8 8 810 0 . 0 0 3 9 0 6 2 52 1 0 2 1 0inout n fff 草鱼 Hz 草鱼 (2) 草鱼 最高合成频率 草鱼 m a x 100 5022inout ff MHZ 草鱼 前面讲过 ， 鲤鱼 这仅是理论值 ， 鲤鱼 实际中与具体电路 (D/A， 鲤鱼 滤波器 )有关 。 草鱼草鱼 (3) 草鱼 相位步进 草鱼草鱼 2256 草鱼 本设计按照模块化层次化设计方法 ， 鲤鱼 根据结构功能 ， 鲤鱼 可以划分出 3个功能模块 ， 鲤鱼 即微控制器接口模块 、 pork相位累加器模块 、 pork双端口 RAM 模块 ， 鲤鱼 其连接关系如图 2-1 所示 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 图 草鱼 2-1 草鱼