基于FPGA的DDS的移相信号发生器.docx

目录摘要:AbstractII第1章绪论1Ll弓I口.11.2 研发背景及意义11.3 DDS技术的发展2第2章系统硬件平台及技术原理31. 1可编程逻辑器件FPGA介绍32. 2硬件描述语言VHDL43. 3可编程逻辑器件开发软件QUartUSII54. 4Modelsim仿真软件55. 5DDSJEW62.5.1DDS原理62.5.2DDS特点72.6DDS内82. 6.1相位累加器83. 6.2波形ROM9第3章软件设计模块114. 1系统模块构造与分析H3.1.1系统模块之十位加法器123.1.2系统模块之10位寄存器123.1.3系统模块之32位加法器133.1.4系统模块之32位寄存器133.1.5系统模块之ROM模块143.2基于FPGA的DDS软件顶层结构设计153.3模拟仿真波形16第4章硬件连接模块184.1 硬件连接184.2 D/A转换模块194.3 3低通滤波器模块204.4波形结果分析22结论25参考文献26致谢28基于FPGA的DDS移相信号发生器的设计与制作摘要：本文介绍了一种基于FPGA（现场可编程门阵列）的DDS（直接数字合成）移相信号发生器设计。该设计以FPGA为核心,采用精确的数字相位累加技术实现高速移相,并通过DAC（数字模拟转换器）将数字信号转换为模拟电压输出。通过将相位累加器实现在FPGA芯片上,减少了外部电路中的元件数量。通过使用查找表,可以更快地计算正弦和余弦值,从而获得更精确的输出信号。在系统开发过程中,采用了AItera公司的CycloneV系列的FPGA芯片作为波形数据的主控制芯片,使用QuartusII软件并结合VHDL语言作为本次设计的主要工具。该设计具有体积小、功耗低、信号稳定等优点，适合于在通讯、测量等领域中广泛应用。首先,介绍了DDS技术和FPGA技术的相关知识以及研究背景,并对DDS的算法进行了简要说明；然后,详细介绍了该移相信号发生器的硬件电路设计和软件流程设计,包括FPGA内部的寄存器配置、相位累加器的设计以及输出信号的控制等关键技术。通过实际测试数据表明,所设计的移相信号发生器能够满足高精度、大频率范围、低相位噪声等多种应用需求。关键词：FPGA;DDS;VHDL;相位累加;数字模拟转换器;模拟电压输出DIGITALPHASESHIFTINGGENERATORBASEDONFPGAAbstract；ThispaperpresentsaDDS(directdigitalsynthesis)phaseshiftingsignalgeneratordesignedonFPGA(fieldprogrammablegatearray).ThedesigntakesFPGAasthecore,adoptsaccuratedigitalphaseaccumulationtechnologytoachievehigh-speedphaseshifting,andconvertdigitalsignalsintoanalogvoltageoutputthroughDAC(Digital-to-AnalogConverter).ByimplementingthephaseaccumulatorontheFPGAchip,thenumberofcomponentsintheexternalcircuitisreduced.Byusingalookuptable,sineandcosinevaluescanbecalculatedfastertoobtainmoreaccurateoutputsignals.Inthesystemdevelopmentprocess,Altera,sCycloneVseriesFPGAchipwasusedasthemaincontrolchipforwaveformdata,andQuartusIIsoftwarewasusedandVHDLlanguagewasusedasthemaintoolforthisdesign.Thedesignhastheadvantagesofsmallsize,lowpowerconsumption,stablesignal,etc.,whichissuitableforcommunication,measurementandotherfields.Firstly,therelevantknowledgeofDDStechnologyandFPGAtechnologyisintroduced,andthealgorithmofDDSisbrieflydescribed.Then,thehardwarecircuitdesignandsoftwareprocessdesignofthephaseshiftingsignalgeneratorareintroducedindetail,includingtheregisterconfigurationinsidetheFPGA,thedesignofthephaseaccumulatorandthecontroloftheoutputsignal.Keytechnologiessuchasphasenoisereductionarediscussed.Theactualtestdatashowsthatthedesignedphase-shiftingsignalgeneratorcanmeetvariousapplicationrequirementssuchashighprecision,largefrequencyrange,andlowphasenoise.Keywords:FPGAQDS;VHDL;Phaseaccumulation;digital-to-analogconverter;analogvoltageoutput.1.1 引言信号发生器已成为电子电路设计、通信、测试、测量等领域中必不可少的设备之一。信号发生器除了能够产生各种类型的信号波形外，还能够输出不同频率、幅度、相位的信号，并能调节信号的上升时间、下降时间等特性。在集成电路设计中，信号发生器常被用作模拟测试和验证原型电路的正确性，以及测量电路的性能指标。同时，在通信系统中，信号发生器也被广泛应用于模拟信号通讯,帮助工程师调试和测试电信网络的可靠性和稳定性。，已大量使用于信息传递、系统检测等方面。随着科学技术的不断发展,高精度、高速度、高可靠性的信号发生器在科研领域和实际应用中得到了广泛的应用。基于FPGA的DDS移相信号发生器具有频率和相位控制灵活、输出高质量信号等优点,成为目前应用较为广泛的信号源之一。选取DDS技术为主要研究内容,针对传统DDS技术设备调节复杂的问题,采用移相技术,实现简单、快捷的频率和相位控制。采用VerilogHDL语言或VHDL语言对移相DDS信号发生器的核心模块进行设计与编码,并将其综合后下载到FPGA芯片上,完成信号发生器的构建。利用多路数码显示器显示实验结果,同时用示波器观测输出信号的正弦波形,证明信号发生器的性能符合设计需求。本论文的研究成果对于相关领域的研究和应用具有较大的参考意义,也可以为数字信号处理器和基于FPGA的信号发生器的设计提供指导。1.2 研发背景及意义DDS移相信号发生器是一种基于数字技术的信号发生器,具有频率和相位控制灵活、输出精度高等优点,在工业、医疗、军事等领域中得到广泛应用。DDS技术结合FPGA技术可以实现对信号发生器的高度自由定制,成为了目前信号源构建领域的重要技术之-b0然而,传统DDS技术存在调节复杂、精度不够高和运算速度慢等问题,难以满足精密设计和高速信号处理的需求。本论文选取DDS移相技术为研究对象,通过利用FPGA硬件资源和高级语言Verik)gHDL或VHDL进行开发,设计实现一款功能强大、性能稳定的DDS移相信号发生器,以解决这一难题。合成技术具有高精度、高分辨率、低杂散、快速切换和自校准等优点，其在精密仪器仪表、医学系统、广播电视等领域的应用也越来越广泛。与DDS技术相比，直接数字频率合成技术的本质区别在于其使用数字信号处理器(DSP)或专用的数字信号产生器(DG)代替了数模转换器和低通滤波器。直接数字频率合成技术中，频率合成器直接由内部数字信号产生器产生频率，不需要外部时钟源或参考频率，因此其频率和相位的稳定性和准确性更高。尽管直接数字频率合成技术相较于DDS技术代替了数模转换器和低通滤波器，杂散性能和相位噪声也有了大幅度的改善，但是仍然需要在实现过程中考虑一定的误差以及温度、气候等因素的影响，因此还有提高的空间和需要进一步研究。此外,对于FPGA设备的学习与应用对于计算机、通信工程等相关课程也十分重要。本论文的研究成果可以将这些知识点进行融合,使读者更加深入理解FPGA技术在信号处理中的应用。因此,本论文的研究背景和意义在于：为相关领域提供更加完善和高精度的信号发生器。同时,通过实践操作,增强读者的综合素质能力,使其具备一定的工程设计能力。1.3 DDS技术的发展直接数字频率合成(directdigitalfrequencysynthesis,DDFS)技术是一种通过数字信号处理器(digitalsignalprocessor,DSP)实现信号发生和调制的技术。它的发展可以分为以下几个阶段：阶段一：1998年,美国ObjeCtmanagementgrOUP(OMG)开始着手研发DDS。阶段二：2003年,DDS1.0版本发布,其中包括data-centricPUblish-SUbscribe(DSPS)规范和realtimepublishsubscribe(RTPS)协议。阶段三：2007年,DDS1.2版本发布,引入QoS(qualityofservice)机制,允许用户定义数据传输的可靠性、时效性等特性,并支持Webservices互操作性。阶段四：2011年,DDS1.3版本发布,新增数据类型定义语言(IDL)和状态表达式语言(DDL),方便用户进行数据模型设计和状态编排。阶段五：2015年,DDS1.4版本发布,进一步增强了QOS机制,支持多种数据传输模式和安全机制,并引入更多的API和工具集。第2章系统硬件平台及技术原理2.1 可编程逻辑器件FPGA介绍FPGA全称为field-programmablegatearray（现场可编程门阵列）。与微控制（MCU）相比,FPGA是一种可以动态重构数字电路的可编程芯片。它由许多查找表（LUT）和寄存器以及可编程互联组成,在设计时开发者可以灵活地配置这些逻辑块和互连来实现特定的硬件功能和任务。FPGA是除了CPLD之外的另一类型的可编程逻辑设备,而FPGA则使用了另一种可编程逻辑的构成方式,也就是编成的查表系统,。在FPGA中,各种逻辑门和触发器等基本单元通过漏斗、交叉、定向等方式连接起来,形成任意复杂度的数字逻辑功能。所以FPGA支持广泛的应用领域,并且提供了很高的灵活性和容错能力,尤其在应对大数据处理等高速处理场景下表现优异。FPGA包括三个主要部分：输入/输出、基本单元和内部通信。输入/输出是FPGA于外部接口的接口,使FPGA能够与外部器件或平台进行通信或交互。基本单元是成千上万个可再编程的逻辑门与其他辅助逻辑的组合,使得开发人员可以根据自己的需求设计出最优的逻辑结构。内部通