基于dds技術的任意波形發生器畢業論文(已修改)

　

【正文】 1 概述任意波形發生器是信號源的一種，它具有信號源所有的特點。我們傳統都認為信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號(各種波形)，然后用其它儀表測量感興趣的參數。可見信號源在電子實驗和測試處理中，并不測量任何參數而是根據使用者的要求仿真各種測試信號，提供給被測電路，以達到測試的需要。信號源有很多種，包括正弦波信號源，函數發生器、脈沖發生器、掃描發生器、任意波形發生器、合成信號源等。一般來講任意波形發生器，是一種特殊的信號源，綜合具有其它信號源波形生成能力，因而適合各種仿真實驗的需要。1).函數功能，仿真基礎實驗室設計人員的環境函數信號源是使用最廣的通用信號源，它能提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖串等波形，有的還同時具有調制和掃描能力，眾所周知，在我們的基礎實驗中(如大學電子實驗室、科研機構研究實驗室、工廠開發實驗室等)，我們設計了一種電路，需要驗證其可靠性與穩定性，就需要給它施加理想中的波形以辨別真偽。總之利用任意波形發生器這方面的基礎功能，能仿真基礎實驗室所必須的信號。2).任意波形，仿真模擬更復雜的信號要求眾所周知，在我們實際的電子環境所設計的電路在運行中，由于各種干擾和響應的存在，實際電路往往存在各種信號缺陷和瞬變信號，例如過脈沖、尖峰、阻尼瞬變、頻率突變等(見圖11，圖12)，這些情況的發生，如在設計之初沒有考慮進去，有的將會產生災難性后果。例如圖1中的a處過尖峰脈沖，如果給一個抗沖能力差的電路，將可能會導致整個設備“燒壞”。確認電路對這樣一個狀況敏感的程度，我們可以避免不必要的損失，該方面的要求在航天、軍事、鐵路和一些情況比較復雜的重要領域尤其重要。由于任意波形發生器特殊的功能，為了增強任意波形生成能力，它可以依賴計算機通訊輸出波形數據。在計算機傳輸中，可以通過專用的波形編輯軟件生成波形，有利于擴充儀器的能力，更進一步仿真模擬實驗。同時由于編輯一個任意波形有時需要花費大量的時間和精力，并且每次編輯波形可能有所差異這樣有的任意波形發生器，內置一定數量的非易失性存儲器，隨機存取編輯波形，有利于參考對比。或通過隨機接口通訊傳輸到計算機作更進一步分析與處理。圖11有尖脈沖的數字信號 圖12有頻率突變的方波綜上所述，任意波形發生器是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具。傳統的任意波形發生采用專用芯片，成本高，控制方式不靈活。本設計采用單片機和FPGA器件相結合的方法，充分利用單片機靈活的控制、豐富的外設處理能力和FPGA器件的快速性、外設的替代性，采用DDS技術，實現頻率、幅值可調的任意波形的輸出，同時可以根據需要方便地實現各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能，具有良好的實用性。本設計完成的任意波形發生器具有以下幾個功能：l 實現方波、矩形波、梯形波、鋸齒波、三角波、正弦波、指數波等任意波形的輸出。l 輸出波形頻率、幅值、相位連續可調，最大頻率l 受器件性能限制。本設計采用DDS技術，該技術是一種用數字控制信號的相位增量技術，具有頻率分辨率高、穩定性好、可靈活產生多種信號的優點。基于DDS的AWG是通過改變相位增量值(每個時鐘周期的度數)來改變輸出頻率的。所有相位點的數據都放在查找表中。采用插值描點的方式，將要產生的波形用若干個點代替，然后依次輸出，每個點的電平由查找表中的相位點數據經過D/A得到。這個過程相當于采樣保持及A/D轉換的逆過程，將經過D/A轉換器產生的波形經過低通濾波，就得到了所得波形。控制D/A轉換器的參考電壓，就可以實現幅值可調。控制兩個插值點之間的相位，就實現了頻率可調。本設計的控制器利用單片機完成，DDS合成芯片利用FPGA實現。單片機通過鍵盤進行人機交互，獲得欲輸出信號的波形，幅值，頻率。FPGA芯片控制基準電源產生合適電壓，作為D/A轉換器的參考電壓，然后從查找表中獲得數據，送到D/A轉換器，送出一個點的數值。依次處理完查找表一個周期數據后，再重新開始，輸出下一個周期的波形。經過D/A轉換的信號再經過低通濾波，濾掉插值頻率和高次干擾波，就可以得到需要的任意波形。根據設計要求、實際需要及實驗室條件，相應地選擇了以下器件及設計工具。在進行系統硬件電路設計時，選用Intel公司的80C196KC單片機作為控制主芯片、Altera公司的EPF10K10作為DDS合成FPGA芯片，選擇Protel99sE設計系統電路的原理圖及PCB圖、Pspice軟件進行硬件仿真。在進行了FPGA芯片設計時，選用了Altera公司的MAX+，選擇VerilogHDL硬件描述語言進行設計。在進行系統軟件設計時，選用WAVE公司的E6000仿真器配POD80C196KX仿真器進行硬件仿真，選擇該公司的配套軟件Wave6000和C語言進行單片機軟件設計。2 DDS(直接數字合成)技術介紹頻率合成是指以一個或多個參考頻率源為基準，在某一頻段內，綜合產生并輸出多個工作頻率點的過程。基于此原理制成的頻率源為頻率合成器，簡稱頻綜。頻率合成技術是現代通訊電子系統實現高性能指標的關鍵技術之一，很多電子設備的功能實現都依賴于所用頻率合成器的性能，因此人們常將頻率合成器喻為眾多電子系統的“心臟”，而頻率合成理論也因此在二十世紀得到了飛躍的發展。頻率合成技術起源于上世紀三十年代，早期的頻率合成器由一組晶體組成的晶體振蕩器，要輸出多少個頻率點，就需要多少個晶體實現。頻率的切換由人工完成，頻率的準確度和穩定度主要由晶體來決定，與電路基本上無關。隨后又出現了非相干合成法，雖然非相干合成法也使用晶體，但是它利用少數晶體產生多種頻率，與早期的合成法相比，降低了成本，提高了合成頻率的穩定性。隨著技術的發展，科學家又提出了相干合成法，相干合成法只使用一個頻率源，進一步降低了成本，提高合成頻率的穩定性，同時避免了非相干合成法復雜、成本高、不經濟等諸多缺點。最早的相干合成法是直接頻率合成(DirectFrequencysynthesis)。直接頻率合成是利用混頻、倍頻、分頻、的方法由參考頻率經加、減、乘、除運算直接組合出所要求的頻率的頻率合成方法。不過，直接合成也可以用多個基準源通過上述方式得到所需的頻率。這種方法由于頻率捷變速度快，相噪低使之在頻率合成領域占有重要地位，但因直接式頻率合成器雜散多，體積大，研究復雜，成本及功耗也令人不可接受，故該方案已基本被淘汰。在直接頻率合成之后出現了間接頻率合成(Indirect Frequency synthesis)。間接頻率合成包括模擬間接頻率合成。這種方法主要是將相位反饋理論和鎖相技術運用于頻率合成領域，它的主要代表是鎖相環PLL(PhaseLocked Loop)頻率合成，被稱為第二代頻率合成技術。現在最常用的結構是數模混合的鎖相環，即數字鑒相器、分頻器、模擬環路濾波和壓控振蕩器的組成方式，因具有相噪低，雜散抑制好，輸出頻率高，價格便宜等優點至今仍在頻率合成領域占有重要地位。目前有許多性能優良的單片PLL頻率合成器面市，典型的有Motorola公司的MC14519Qualn公司的Q323NationalSe。nieonduetor的LMX232LMX232LMX2330。這極大地推動了PLL，頻率合成方式的應用。隨著數字信號處理理論和超大規模集成電路VLSI的發展，在頻率合成領域誕生了一種革命性的技術，那就是七十年代出現的直接數字合成DDS，它的出現標志著頻率合成技術邁進了第三代。1971年3月，:利用數字方式累加相位，再以相位之和作為地址來查詢正弦函數表得到正弦波幅度的離散數字序列，最后經D/A變換得到模擬正弦波輸出。DDS由于具有極高的頻率分辨率，極快的變頻速度，變頻相位連續，相噪較低，易于功能擴展和全數字化便于集成等優點，因此在短短的二十多年里得到了飛速的發展和廣泛的應用。 頻率合成技術的技術指標頻率合成技術有著諸多技術指標，這些技術指標決定了頻率合成技術的特性及優缺點，下面介紹一些基本的頻率合成技術的技術指標。頻率范圍:頻率合成后生成頻率的波動范圍，由最小合成頻率f min和最大合成頻率f max決定，合成的頻率介于兩者之間。也常用相對帶寬來衡量頻率范圍。 （式21）分辨率：頻率合成后兩相鄰相位點之間的間隔，不同要求的頻率合成對分辨率的要求差別很大。切換時間：從發出頻率切換的指令開始，到頻率切換完成，并進入允許的相位誤差范圍所需要的時間。它與頻率合成的方式密切相關。諧波抑制與雜散抑制：諧波抑制是指載波整數倍頻率處單根譜線的功率與載波功率之比，而雜散抑制指與載波頻率成非諧波關系的離散譜功率與載波功率之比，它們表征了頻率輸出譜的純度。頻率源中的諧波和雜散主要由頻率源中的非線性元件產生，也有頻率源內外干擾的影響，還與頻率合成的方式有關。長期頻率穩定度：頻率源在規定的外界條件下，在一定的時間(年、月、日)內工作頻率的相對變化，它與所選用的參考源的長期頻率穩定度相同。短期頻率穩定度：主要指各種隨機噪聲造成的瞬時頻率或相位起伏，即相位噪聲。 DDS(直接數字合成)技術理論DDS(Direct Digital Synthesis)直接數字合成技術是一種用數字控制信號的相位增量技術，具有相位連續、頻率分辨率高、頻率轉換速率快、穩定性好、可靈活產生多種信號的優點。它采用插值取樣的方式，將要合成的正弦波形用若干個點代替，然后依次等時間間隔輸出，每個取樣點的電平由預先存貯好的數據經過D/A得到。這個過程相當于采樣保持及A/D轉換的逆過程。控制兩個取樣點之間的時間間隔及相位，就實現了頻率連續可調。 DDS設計原理和結構圖21 DDS技術的基本結構圖上圖為DDS技術的基本結構圖，頻率控制字FC(Frequence Control)控制合成波形頻率。時鐘源以頻率fc發出脈沖。當一個脈沖到來時，N位相位寄存器PR(Phase Register)以步長FC增加，其結果作為查找表LUT(Look up Table)的尋址地址。LUT內存有一個完整周期波形的數字幅值信息。每個LUT存儲單元對應一個周期內的某一個相位點。查找表把輸入的地址信息映射成合成波形的幅值信號，輸入到數模轉換器DAC。經過DAC，就可以得到要合成的波形。實際上，FC是每個時鐘期間波形的相位增量，控制FC，就可以控制輸出波形的頻率。PR每經過/M個時鐘周期后回到初始狀態，對應的DAC也輸出了一個波形。輸出的波形的周期為T=( /Fe)T。，頻率為f=(FC/) fc。DDS的最小分辨率為fr= fc /。 DDS技術的特點由于DDS采用了不同于傳統頻率合成方法的全數字結構，所以DDS技術具備了直接模擬頻率合成和間接頻率合成方法所不具備的很多特點:l 頻率分辨率極高。分辨率fc /，因為N取值極大(一般為32，48位)，使得分辨率極高，一般微Hz級。l 頻率捷變很快。頻率控制字的傳輸時間及以低通濾波為主的器件相應時間很短，使得高速DDS系統的頻率切換時間可以達到ns級。l 輸出相位帶寬很寬，DDS輸出頻率范圍可達:0—40% fc。l 變頻相位連續。頻率控制字的改變實質是改變相位增長率，而相位本身保持不變，使得系統有良好的相參性。l 易于控制、集成和實現功能擴展。改變查找表中存儲的數據，可以實現任意波形輸出；由于可以方便地對輸出信號地幅度、頻率、相位進行控制，故可以實現任意調制功能。可以預計，隨著DDS芯片性價比的提高，其生命力將越來越強大。l 雜波抑制差。DDS全數字結構帶來了很多優點，但正是由于這種結構以及訪問查找表時采用的相位截斷、DAC位數有限等決定了DDS的雜波抑制較差。l 輸出帶寬較窄。受器件速度(特別是DAC)的限制較為嚴重。這也是DDS的主要缺點之一。3 EDA技術與FPGA /CPLD器件 EDA技術 EDA(Electronic Design Automatic電子設計自動化)技術研究的對象是電子設計的全過程，有系統級、電路級和物理級各個層次的設計。涉及的電子系統從低頻、高頻到微波，從線性到非線性，從模擬到數字，從通用集成電路到專用集成電路構造的電子系統，因此EDA技術研究的范疇相當廣泛。在電子設計技術領域，PLD(Programmable Logic Device可編程邏輯器件)的應用，已有了很好的普及，這些器件為數字系統的設計帶來極大的靈活性。由于該器件可以通過軟件編程而對其硬件的結構和工作方式進行重構，使得硬件的設計可以通過軟件編程而對其硬件的結構和工作方式進行重構，使得硬件的設計可以如同軟件設計那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統的數字系統設計方法、設計過程、乃至設計觀念。縱觀可編程器件的發展史，它在結構原理、集成規模、下載方式、邏輯設計手段等方面的每一次進步都為現代電子設計技術的革命與發展提供了不可或缺的強大動力。隨著可編程邏輯器件集成規模不斷擴大，自身功能的不斷完善和計算機輔助設計技術的提高，在現代電子系統設計領域中的EDA便應運而生了。EDA是一種實現電子系統或電子產品自動化設計的技術，它與電子技術、微電子技術的發展密切相關，它吸收了計算機科學領域的大多數最新研究成果，以高性能的計算機作為工作平臺，是20世紀90年代初從CAD(Computer Aide Design計算機輔助設計)、CAM(Computer Aided Manufacture計算機輔助制造)、CAE(Computer Aided Test計算機輔助測試)、CAE(Computer Aided Education計算機輔助工程)的概念發展而來的。EDA技術就是以計算機為工具，在EDA軟件平臺上，根據硬件描述語言HDL完成的設計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優化、布局線、仿真，直至對于特定目標芯片地適配編譯，邏輯映射和編程下載等工作。設計者的工作僅限于利用軟件的方式來完成對系統硬件功能的描述，在EDA工具的幫助下應用相應的PLD器件，就可以得到最后的設計結果。盡管目標是硬件，但整個設計和修改過程如同完成軟件設計一樣方