直接数字频率合成器DDS研究设计毕业论文

第22卷第3期Vol.22,No.3滨州学院学报Journal of Binzhou U niversity 2006年6月J un.,2006直接数字频率合成器(DDS )精度提高方法研究收稿日期:20051226基金项目:山东省信息产业厅资助项目(2005R00012)第一作者简介:李建磊(1975—),男,山东惠民人,助理实验师,从事嵌入式系统、分布式计算研究.李建磊,马　震,庄　波,吕凤杰(滨州学院计算机科学技术系,山东滨州256603) 摘要:讨论了直接数字频率合成器(DDS )的工作原理,并根据正弦波的特点对ROM 进行优化.优化的ROM 在Flex10k10的FP GA 芯片上实现,对实验结果进行比较和分析发展,该方案可以有效地改进DDS 的精度. 关键词:数字频率合成器;精度;FP GA 中图分类号:TN 741 文献标识码:A 文章编号:16732618(2006)030043040　引　言 频率合成技术是指利用频率合成的方法,使某一(或多个)基准频率,通过一定的变换和处理后,形成一系列等间隔的离散频率[1].频率合成常用的方法包括直接式频率合成技术、间接式频率合成技术(锁相频率合成技术)以及目前最为典型、应用最广泛的直接数字频率合成器(DDS :Direct Digit 2al Synt hesizer ).与传统的频率合成器相比,DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和转换快速等优点被广泛用于电信和电子仪器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术.但与其它数字信号处理器件一样,DDS 也存在精度的问题,而在一些精确的数字通信过程中,特别是在雷达通信中,精度是至关重要的[2].如何提高DDS 的精度是近年来研究的热点问题.根据正弦函数的特点,对ROM 的存储单元进行合理配置,提高计算精度,并对改进效果进行了讨论.1　DDS 原理直接数字频率合成器是从相位概念出发直接合成所需波形的一项频率合成技术.一个直接频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM 、D/A 转换器和低通滤波器(L PF )构成[3].其结构图如图1所示:图1　DDS 结构图在直接数字频率合成器中,需要输入的控制参数是频率控制字和相位控制字,分别控制频率和相位.44滨州学院学报第22卷频率控制字作为累加器的输入,每经过一个时钟周期,累加器的输出就增加一个频率控制字,然后再反馈到累加器的输入端.这个累加器的输出输入到加法器,与相位控制字进行一次加法运算,也就是进行一次相移,从而完成相位控制.而相位对应ROM中的一个地址,通过这个地址可以得到当前的数字信号值.最后,信号序列经过D/A和低通滤波器就可以得到模拟信号.下面分别对数字频率合成器中两个重要的模块作一介绍.1.1　累加器累加器由一个N位加法器和一个N位寄存器构成,它在时钟的作用下进行相位累加,这也是DDS的一个基本特征———基于相位概念.累加器的输出可以直接转换为ROM的地址,通过这个地址就可以直接获得数字波形值.相位控制字决定了ROM地址的一个整体偏移,表现在波形的变化上就是一个相移;而频率控制字则是决定了在ROM中地址的增加步长,它的大小直接决定了输出波形的频率.频率控制字和输出波形频率之间的关系可以通过下面的一个线性关系表示:f0=f c×k/2N.从上式可以看出,输出频率f0与基准时钟频率f c成正比,式子中的N就是ROM地址的位数.另外,输出频率与2N是反比关系,N越大则DDS的输出频率越低.1.2　波形存储ROM上面提到ROM是输入累加器的输出数据,进行波形的相位-幅度转换.N位的寻址ROM相当于把0～2π的正弦信号离散成具有2N个样值的序列,若波形ROM有D位数据位,则个样值的幅度以D位二进制数值固化在ROM中,按照地址的不同而输出相应相位的正弦信号的幅度值.2　DDS的精度改进方案从DDS的原理可以看出,ROM地址位数N的多少决定了ROM的精度,而ROM的精度又直接决定了DDS的输出精度.可见,如果N足够大就可以得到很细的频率间隔,也将大大提高DDS的整体精度,但是,如果N太大,则需要更多的ROM存储单元,这就会导致DDS的成本增加.下面对如何利用正弦波形的特点对ROM进行优化配置在不增加成本的条件下增加DDS的精度作一分析.2.1　正弦波特点已知正弦波具有对称性,存在下面的关系sin(α+π)=-sinα,sin(π-α)=sinα.可见,在[π/2,π]、[π,3π/2]、[3π/2,2π]三个区间的波形值都可以通过[0～π/2]区间的波形值转化得到.2.2　ROM优化方案从上面对正弦波形特点的分析可以得出,只存储[0,π/2]区间内的波形就可得到完整的波形.这样,N 位的寻址ROM就不是存储的[0,2π]的2N个正弦信号离散样值序列,而是存储的[0,π/2]的2N个正弦信号离散样值序列,有效的利用了ROM存储空间,提高了存储效率,也相应的提高了DDS的输出精度.ROM优化具体算法如下:IF相位属于[0,π/2]sinα=sinα;EL SIF相位属于[π/2,π]sinα=sin(π-α);EL SIF相位属于[π,3π/2]sinα=-sin(α-π);EL SE第3期李建磊,等　直接数字频率合成器(DDS )精度提高方法研究sin (α)=-sin (2π-α);END2.3　优化算法V HDL 实现在改进后的算法中,数据的位数为8位,存放了[0,π/2]的波形数据.而要把10位地址转换为ROM 中的8位地址,可通过10位数据的高两位来控制是否对低8位地址和数据进行取反运算来实现.以下是算法的V HDL 实现代码:L IBRAR Y IEEE ;U SE IEEE.STD_LO GIC_1164.ALL ;U SE IEEE.STD_LO GIC_UNSIGN ED.ALL ;EN TIT Y xorvh ISPOR T (inA :IN STD_LO GIC ;inB :IN STD_LO GIC_V EC TOR (7DOWN TO 0);q :OU T STD_LO GIC_V EC TOR (7DOWN TO 0));END xorvh ;A RCH ITEC TU RE behave O F xorvh ISSIGNAL temp :STD_LO GIC_V EC TOR (7DOWN TO 0);B EGINIF inA =’1’T H ENtemp <=NO T inB ;END IF ;q <=temp ;END behave ;3　验证数据采用Altera 公司Flex10k10的FP GA 芯片实现DDS [4],在此芯片中内嵌ROM ,可以配置成256×8的存储单元.首先采用未改进的DDS 存储方案,把整个周期波形保存为256个值;然后,采用改进方案把1/4个周期的波形保存在256个存储单元;最后对二者进行比较.3.1　波形比较两种方案得到的波形如图2所示:图2　改进前后方案波形比较从图2可以看出,在0.19π～0.29π之间,未改进的方案用25个样点来表示,而改进方案用100个样点来表示,减少了由于数字信号良好所导致的量化误差,提高了DDS 输出波形的精度.3.2　频谱比较从图3可以看出,改进前的方案在主频率附近有较大泄漏,从而导致主频率分量的能量减少,大约为180;而改进后这一问题得到了很好的解决,几乎没有泄漏,能量集中在主频率处,约为230.54滨州学院学报第22卷4　结　论利用正弦函数的对称性,对ROM 存储单元进行优化分配,从而有效地提高了ROM存储单元的利用图3改进前后频谱比较效率.使用Flex10k10芯片实现DDS 并对输出信号的波形和频谱进行比较和分析发现,该方案可以有效的改进DDS 的精度.参　考　文　献:[1]邓勇,周铎.数字电路设计完全手册[M ].国防工业出版社,2004.[2]费元春,苏广川,米红,等.宽带雷达信号产生技术[M ].北京:国防工业出版社,2002.[3]　SCHN EIER B.Applied Cryptograp hy Protocals ,algorit hms ,and source code in C [M ].2nd ed.U SA :John Wiley &Sons Inc ,1996.[4]褚振勇,翁木云.FP GA 设计及应用[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2002.R esearch on The Method of DDS πs PrecisionL I Jian Οlei ,MA Zhen ,ZHUAN G Bo ,LV Feng Οjie(Dep artment of Com p uter S cience and Technolog y ,B i nz hou U ni versit y ,B i nz hou 256603,Chi na )Abstract :This paper has discussed t he principle of Direct Digital Frequency Synt hesizer (DDS )and researched on t he met hod of optimizing ROM by t he characteristics of sine wave.The met hod has been implemented in FP GA chip (type Flex10k10),and t he experimental result s has been compared and ana 2lyzed.K ey w ord :DDS ;precision ;FP GA(责任编辑:余艳玲)64。

基于DDS技术实现的频率可跳变的频率合成器摘要：本文首先对频率合成技术现状和未来发展进行了简要说明，同时对直接数字频率合成技术理论作了比较详细的分析，另还对本设计选用的一些芯片进行了介绍。

在此基础上，采用外部输入时钟方式，由控制、电平转换、频率合成、低通滤波、放大等模块构成频率合成器。

在实现过程中，以直接数字频率合器(DDS)为核心，通过单片机对其进行初始化、工作状态设置和实时地向其输入频率控制字和频率更新信号，实现DDS输出频率的跳变，最后再通过滤波和放大，得到一个能满足一定使用要求且频率可跳变频率源。

关键词：频率合成；单片机；直接数字频率合成(DDS)；低通滤波；Design of Frequency Synthesizer with Frequency-HoppingBased on DDS TechnologyAbstract: In this paper, the frequency of technical status and future development of a summary statement, the Direct Digital Synthesis techniques of a more detailed analysis, and the other is also on the choice of a number of chip design was introduced.On this basis, the use of external input clock, from control, power conversion, frequency synthesis, low-pass filtering, amplification modules constitute Synthesis. In the process of achieving, with a direct digital frequency (DDS) as the core, through its SCM initialized, the state set-up and real-time control to the input frequency and frequency of updates word signal, the output frequency of DDS Hopping, and then through the filtering and amplification, with a meet certain requirements and the use of frequency hopping frequency source.Keywords: Synthesis; SCM; Direct Digital Synthesis (DDS); low pass filter;第 1 章 绪 论1.1频率合成技术概述随着现代通信与电子系统的发展，对频率合成技术在多个性能方面提出了更高的要求，希望频率源能输出一个更为稳定且在一定频率范围内可跳变频率信号。

基于FPGA的直接数字频率合成实现方案直接数字频率合成（DDS）是一种数字合成技术，它通过将数字信号转换为模拟信号来合成所需的波形。

DDS的基本原理是从相位的概念出发，通过相位累加器、波形存储器、数模转换器和低通滤波器等结构，将数字信号转换为模拟信号。

在DDS系统中，相位累加器是核心组成部分之一。

它通过将频率控制字（K）与相位增量（△<1））相加，生成一个相位序列。

该相位序列用于选择波形存储器中的幅度序列,从而生成所需的模拟信号。

波形存储器中存储了不同相位的幅度序列，通过相位累加器的输出选择所需的幅度序列。

然后，数模转换器将选定的幅度序列转换为模拟信号，最后通过低通滤波器去除高频噪声，得到纯净的模拟信号。

DDS系统的频率分辨率和频率范围取决于相位增量（A
Φ）和幅度序列的长度。

通过改变频率控制字（K）,可以控制所得离散序列的频率，经保持、滤波之后可唯一地恢复出此频率的模拟信号。

基于FPGA技术实现DDS的方案是，通过VXI接口电路将生成的数据存入固定数据RAM中，然后用FPGA设计的相位累加器来计算并选择RAM中的数据存放地址，最后将数据给定的频率控制字输出，经DAC转换即实现了任意波形输出。

直接数字频率合成器（DDS）的改进设计【摘要】本文介绍了一种改进的直接数字频率合成器的设计原理，详细讨论了dds频率合成技术及系统软件、硬件的设计。

【关键词】dds；可控分频器；单片机频率源是雷达、通信、电子对抗等电子系统实现高性能指标的关键。

在现代电子学的各个领域常常需要高精度且频率可方便调节的信号源。

传统的频率合成器已不能适应技术发展的需要，直接数字式频率合成器（direct digital frequency synthesis）简称dds 或ddfs，是随之发展起来的一种新的频率合成技术，它是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。

一般采用相位累加器和幅码编址器对存储器进行寻址，过于复杂并且电路调试有一定难度，滤波器精确度要求很高，频率很高时波形不光滑且容易失真。

本文针对这一不足进行了改进。

一、改进的直接数字频率合成器设计框图该系统全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠，利用单片机控制管理，使频率预置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便，数字频率合成技术使输出频率准确度和稳定度得到提高，频率分辨率为1hz。

二、系统的总体设计思路该系统分为单片机处理与控制部分两大部分，单片机采用89c51，通过一块接口芯片8255与键盘和显示器连在一起，因显示的位数只四位，故采用数码管动态显示，软件译码，采用2*8的键盘进行预置数输入，控制，键盘上共有0—9个数字键、6个功能键；利用单片机的输出来控制可控分频器，然后通过计数器对可控分频器的输出脉冲进行计数，把8位计数器的输出作为一个地址码，将这个地址码作为存储器的读写地址，从存储器中取出预先存放的各种量化数据，经dac0832进行d/a转换，最后通过滤波器输出一个频率受键盘控制的正弦波。

经过对dds的改进后，该系统能产生1hz —9999hz的频率，频率可由键盘进行预制，并且输出频率可通过显示器进行数码显示。

1、单片机控制部分的设计：1）显示器部分的设计显示器采用数码管进行显示，数码管成本低、性能稳定。

直接数字频率合成器DDS 的设计DDS 的基本原理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，它是将输出波形的一个完整的周期、幅度值都顺序地存放在波形存储器中，通过控制相位增量产生频率、相位可控制的波形。

DDS 电路一般包括基准时钟、相位增量寄存器、相位累加器、波形存储器、D/A 转换器和低通滤波器（LPF ）等模块，如图1所示。

相位增量寄存器寄存频率控制数据，相位累加器完成相位累加的功能，波形存储器存储波形数据的单周期幅值数据，D/A 转换器将数字量形式的波形幅值数据转化为所要求合成频率的模拟量形式信号，低通滤波器滤除谐波分量。

整个系统在统一的时钟下工作，从而保证所合成信号的精确。

每来一个时钟脉冲，相位增量寄存器频率控制数据与累加寄存器的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输出端。

这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS 合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是DDS 输出的信号频率。

相位累加器输出的数据的高位地址作为波形存储器的地址，从而进行相位到幅值的转换，即可在给定的时间上确定输出的波形幅值。

图1 DDS 原理图波形存储器产生的所需波形的幅值的数字数据通过D/A 转换器转换成模拟信号，经过低通滤波器滤除不需要的分量以便输出频谱纯净的所需信号。

信号发生器的输出频率fo 可表示为：Ns f M f M f 2..0=∆= ( 1)式中s f 为系统时钟，f ∆为系统分辨率，N 为相位累加器位数，M 为相位累加器的增量。

参数确定及误差分析首先确定系统的分辨率f ∆，最高频率max f ，及最高频率max f 下的最少采样点数min N 根据需要产生的最高频率max f 以及该频率下的最少采样点数min N ，由公式m i n m a x.N f f s ≥ (2)确定系统时钟s f 的下限值。

直接数字频率合成器设计The Design of Direct Digital Frequency Synthesizer摘要利用可编程逻辑阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）实现DDS专用电路芯片，主要特点是能满足用户对特殊功能的要求，而且在使用过程中也灵活地改变系统结构。

，并不能满足所有的要求。

本文在对现有DDS技术的大量文献调研的基础上，提出了符合FPGA结构的DDS设计。

方案利用QuartusⅡ开发工具在ALTERA FLEX10K系列器件上进行了实现。

关键词直接数字频率合成器单片机数模转换温度漂移补偿AbstractThe main features of realization of dedicated direct digital frequency synthesizer circuit chips using FPGA are the ability to meet user requirements for special functions, but also flexibility change structural of the system in the use of the process. Although commercial DDS dedicated chip circuit provide a lot of opportunities for the designers and meet the needs of many occasions, there are its limitations and cannot meet all the requirements. On a large number of investigation of existing research literature，the papers involves the proposed structure of the direct digital frequency synthesizer FPGA design. The Programmer uses the Quartus II development tool for designing the Altera FLEX10K series devices.Keywords DDS MCU DAC Temperature drift compensation目录前言 (1)第1章设计思路及原理 (2)研究意义 (2)总体设计任务 (2)设计思路及原理 (3)DDS工作原理框图 (3)具体工作过程 (3)第2章系统电路的设计及原理 (5)系统框图 (5)各模块具体实现原理分析和说明 (5)相位累加器模块 (5)ROM查找表模块 (10)单片机输入输出控制模块 (12)温漂误差补偿 (13)D/A转换模块 (18)滤波输出电路模块 (19)软件仿真结果 (19)第3章硬件电路的构建 (21)FPGA芯片的选择与使用 (21)硬件连接电路图 (23)第4章实验开发系统系统 (25)实验开发系统的选择与使用 (25)实验过程与结果分析 (27)总结....................................................................................... 错误!未定义书签。

引言频率合成器是现代无线通信设备中一个重要的组成部分，直接影响着无线通信设备的性能。

频率合成技术历经了早期的直接合成技术（DS）和锁相合成技术（PLL），发展到如今的直接数字合成技术（DDS）。

直接数字合成技术具有分辨率高，转换速度快，相位噪声低等优点，在无线通信中发挥着越来越重要的作用。

随着大规模集成电路的发展，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频率合成集成电路。

频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，对频率合成器提出了越来越高的要求。

频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换，产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。

频率合成理论自20世纪30年代提出以来，已取得了迅速的发展，逐渐形成了目前的4种技术：直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字式频率合成技术和混合式频率合成技术。

本文将对频率合成器，锁相环等做个概述，电路中用到的芯片及基于HC4046锁相环频率合成器的设计与制作、调试等几方面也进行了阐述。

频率合成器是用高精度晶体振荡器作为基准，通过合成技术能产生一系列具有一定频率间隔的高清度频率源，分直接合成和锁相环合成两种。

1.1频率合成器及其技术指标1．频率范围频率范围是指频率合成器输出的最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围,也可用覆盖系数k=fomax/fomin表示（k又称之为波段系数）。

如果覆盖系数k>2~3时,整个频段可以划分为几个分波段。

在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于压控振荡器的特性。

2．频率间隔（频率分辨率）频率合成器的输出是不连续的。

两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。

频率间隔又称为频率分辨率。

不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。

对短波单边带通信来说,现在多取频率间隔为100Hz,有的甚至取10Hz、1Hz乃至0.1Hz。

南京理工大学电子线路课程设计直接数字频率合成器D D S(题名和副题名)(学号)指导教师姓名姜萍老师学院电子工程与光电技术学院年级2012级专业名称通信工程论文提交日期2014.12摘要直接数字信号合成器（DDS）是一种从相位概念出发直接合成所需要波形的新的频率合成技术。

与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。

本文使用DDS的方法设计一个任意频率的正弦信号发生器，具有频率控制、相位控制、测频、切换波形、动态显示、使能开关以及AM调制等功能。

利用QuartusII7.0中VHDL语言完成计算机设计、仿真等工作，然后使用由Altera公司开发的Cyclone III 系列EP3C25F324C8实验箱实现电路，用示波器观察输出波形。

本文使用模块化的设计理念，将整体电路分为9个子模块设计，分别为：分频模块、频率预置与调节模块、频率累加寄存模块、相位预置与调节模块、相位累加寄存模块、sin函数波形存储模块、余弦波方波三角波锯齿波波形选择模块、测频与译码显示模块、AM调制模块。

其后，本文给出了本实验的计算机仿真图与示波器输出图，并进行结果分析。

最后在文末给出了本实验所设计的电路的使用说明书。

关键词：直接数字信号合成器、DDS、AM调制、VHDL、测频AbstractDirect digital synthesizer (DDS) is a new technology of frequency synthesis ,which comes from the concept of the phase, to directly synthetize the required waveform . Compared with the traditional frequency synthesizer, DDS has the advantages of lower cost, lower power consumption, higher resolution and faster switching time etc..DDS method is used to design a direct digital synthesizer to synthetize the sin function of any frequency in this paper, with functions of frequency control, phase control frequency measurement, waveform switching, dynamic display, switch enable and AM modulation. Using VHDL language in the QuartusII7.0, we complete the design, simulation and other works by computer, and then use the EP3C25F324C8 experimental box of Cyclone III series developed by the Altera to implement the design, and finally observe the output waveform in oscilloscope.In this paper, the modular design concept is used, and the whole circuit is divided into 9 sub module design, respectively is: frequency division module, frequency adjusting module, frequency cumulative and register module, phase presetting and adjusting module, phase cumulative and register module, sin function waveform memory module, cos wave, square wave, triangle wave, sawtooth waveform selection module, frequency measurement and decoding display module, the AM modulation module.Then, the computer simulation diagram and the output of the oscilloscope graphs of this experiment is given in this paper, followed by the results analysis. Finally, we give the experimental instructions of the circuit design at the end of the paper.Keywords: direct digital synthesizer, DDS, AM modulation, VHDL, frequency measurement目录摘要 (2)Abstract (3)1 绪论 (7)1.1 DDS的发展概况 (7)1.2 选题背景及意义 (7)1.3 课题研究现状 (8)1.4 本文主要工作 (8)2 实验平台Cyclone III EP3C25F324C5 (10)2.1 Cyclone III (10)2.1.1 Cyclone III 系列产品介绍 (10)2.1.2 Cyclone III EP3C25F324C5 开发板原理图 (11)3 DDS基本原理总电路图 (12)3.1 DDS的基本结构 (12)3.2 DDS的基本原理 (12)3.3 DDS总电路封装图 (14)3.4 本章小结 (16)4 DDS各子模块设计原理 (17)4.1 分频模块 (17)4.1.1 48分频子模块 (18)4.1.2 1000分频子模块 (19)4.1.3 0.5分频子模块 (20)4.2 频率预置与调节模块 (21)4.3 频率累加寄存模块 (22)4.3.1 12位累加器子模块 (23)4.3.2 12位寄存器子模块 (24)4.4 相位预置与调节模块 (25)4.5 相位累加与寄存模块 (25)4.5.1 12位累加器子模块 (26)4.5.2 12位寄存器子模块 (26)4.6 sin波形存储模块 (27)4.6.1 sin_rom子模块 (27)4.6.2 10位寄存器子模块 (28)4.7 余弦波、方波、三角波、锯齿波波形选择模块 (29)4.7.1 cos_rom、rect_rom、square_rom、sawtooth_rom波形存储子模块 (29)4.7.2 波形4选1输出子模块 (30)4.7.3 10位寄存器子模块 (31)4.8 测频与译码显示模块 (31)4.8.1 10进制计数器子模块 (32)4.8.2 测频子模块 (33)4.8.3 译码显示子模块 (34)4.9 AM调制模块 (36)4.9.1 载波产生子模块 (37)4.9.2 调制波乘法与加法子模块 (38)4.9.3 载波乘法子模块 (39)4.9.4 已调波与调制波二选一显示子模块 (40)5 DDS调试仿真与下载 (42)5.1 DDS仿真 (42)5.2 AM调制仿真 (43)5.3 DDS管脚设定与下载运行 (44)6 DDS示波器结果显示 (46)7 DDS使用说明书 (49)8 结论 (50)8.1 论文工作总结 (50)8.2 论文工作展望 (50)致谢 (51)参考文献 (52)1绪论1.1D DS的发展概况DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。

南京理工大学研究生电类综合实验实验报告作者: 袁一超学号：514101001333学院(系):机械工程学院专业: 航天工程题目: （DDS）直接数字频率合成器设计指导者：花汉兵姜萍2015年6月电类综合实验（实验报告）中文摘要电类综合实验（实验报告）外文摘要电类综合实验（实验报告）第I 页共II 页目次1设计内容 (1)2方案论证 (1)2.1DDS 概念 (1)2.2DDS 的组成及工作原理 (1)2.3DDS 的工作流流程图 (1)2.4DDS 的总体框图 (2)3设计要求 (3)3.1设计基本要求 (3)3.2设计提高部分要求 (3)4各基本电路子模块设计原理 (3)4.1脉冲发生电路 (3)4.1.1二分频 (4)4.1.2三分频 (4)4.1.3八分频 (4)4.1.4十分频 (5)4.1.5千分频 (5)4.1.6总脉冲电路图 (5)4.2频率和相位调节电路 (5)4.2.1设计原理 (5)4.2.2频率和相位调节电路总图 (6)4.3累加器 (8)4.3.1累加器的原理 (8)4.3.2电路 (8)4.3.3波形仿真 (9)4.4加法器 (9)4.4.1设计原理 (9)4.4.2电路图 (10)4.5波形存储器（ROM） (10)4.5.1波形存储器（ROM）的原理 (10)4.5.2存储器（ROM）的设计 (11)4.6DDS电路 (15)4.6.1设计原理 (15)4.6.2电路总图 (15)4.7测频电路 (15)4.7.1设计原理 (15)4.7.2测频电路电路图 (16)4.8动态显示电路 (17)4.8.1设计原理 (17)电类综合实验（实验报告）第II 页共II 页4.8.2电路图 (17)4.9消颤电路 (18)4.9.1设计原理 (18)4.9.2电路图 (18)5整体封装图 (18)6管脚分配仿真下载 (19)6.1管脚分配 (19)6.2仿真 (19)6.3下载 (20)结论 (21)参考文献 (22)电类综合实验（实验报告）第1 页共22 页1设计内容设计一个频率及相位均可控制的具有正弦和余弦输出的直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesizer 简称DDFS或DDS）。

毕业设计设计题目：基于DDS技术的信号发生器的设计与实现基于DDS技术的信号发生器的设计与实现摘要DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。

与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。

本设计采用单片机为核心处理器，利用键盘输入信号的参数，控制DDS的AD9850模块产生信号，信号的参数在LCD1602上显示，完成正弦信号和方波信号的输出，用示波器输出验证。

DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。

时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。

与传统的频率合成方法相比，DDS合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续等诸多优点。

使用单片机灵活的控制能力与AD9850的高性能、高集成度相结合，可以克服传统DDS设计中的不足，从而设计开发出性能优良的信号发生器系统。

关键词：单片机直接数字频率合成AD9850 DDSDesign and Implementation of the SignalGenerator Based on DDS TechnologyAbstractDDS is Direct Digital frequency Synthesizer (Direct Digital Synthesizer) English abbreviations. Compared with the traditional frequency synthesizer, with low cost, DDS low power consumption, high resolution and fast converting speed time and so on, widely used in telecommunications and electronic instruments field, is to realize equipment full digital a key technology.This design uses the single chip processor as the core, using a keyboard input signal parameters, control of DDS AD9850 module produce signals, the signal parameters in LCD1602 show that the complete sine signal and square wave signal output, the output with an oscilloscope validation.DDS is A full digital frequency synthesizer, by phase accumulators, waveform ROM, D/A converter and low pass filter composition. The clock frequency after A given, the output depends on the frequency of the signal frequency control word, the frequency resolution depends on accumulators digits, phase resolution depends on the ROM address line digits, amplitude quantization noise depends on the ROM data A word length and D/A converter digits. And the frequency of the traditional method than the synthesis, DDS synthesis signal has a frequency switching frequency of short time, high resolution and continuous phase changes, and many other advantages. Using single chip microcomputer control of the flexible ability and high performance, high level of integration of the AD9850 combination, can overcome the disadvantage of the traditional DDS design, to design the developed good performance of signal generator system.Key word:MCU; direct digital frequency synthesis;AD9850;DDS目录1 引言 (1)2DDS概要 (2)2.1DDS介绍 (2)2.1.1 DDS结构 (2)2.1.2典型的DDS函数发生器 (3)2.2DDS数学原理 (5)3 总体设计方案 (8)3.1系统设计原理 (8)3.2总体设计框图 (8)4 系统硬件模块的组成 (9)4.1单片机控制模块 (9)4.1.1 STC89C52主要性能 (9)4.1.2 STC89C52功能特性描述 (9)4.1.3 时钟电路 (11)4.1.4复位电路 (11)4.2AD9850模块 (12)4.2.1 AD9850简介 (12)4.2.2 AD9850的控制字与控制时序 (14)4.2.3单片机与AD9850的接口 (15)4.3滤波电路设计 (15)4.4键盘控制模块 (16)4.5LCD显示模块 (16)4.5.1液晶显示器显示原理 (16)4.5.2 1602LCD引脚与时序 (17)4.6A/D转换模块 (20)5 软件设计与调试 (21)5.1程序流程图 (21)5.2软件调试 (22)5.2.1 keil编程工具介绍 (22)5.2.2 STC-ISP下载工具介绍 (23)6 硬件电路制作 (24)6.1原理图的绘制 (24)6.2电路实现的基本步骤 (24)6.3硬件测试波形图 (25)7 结论 (27)谢辞 .............................................................................................. 错误！未定义书签。

直接数字频率合成器（DDS）设计摘要直接数字合成（DDS）是一种数字式技术，产生的频率和相位可调输出信号引用到一个固定频率时钟源模块的精度数字数据技术。

本质上，参考时钟脉冲频率间隔分开一个DDS结构提出的二进制控制字。

控制字通常是24到48位长，使DDS的实施提供优越的输出频率调谐分辨率。

在日益竞争成本的今天，高性能，功能与作用相结合，DDS 产品正迅速地成为除传统的高速频率的模拟合成器解决办法之外的另一种选择。

高速，高性能，D/A变换器和DDS结构到单片机(通常是一个完整DDS的解决办法)上的综合使这项技术能够瞄准广泛应用，而且在许多场合提供一种替代基于模拟的PLL合成器。

在许多应用中，使用DDS的解决方案拥有灵活的特性，相较模拟等效电路锁相环频率合成器它有一些独特的优势。

DDS 优势：微赫兹的输出频率和相位调整功能，这些全部在数字控制下完成。

极其快的调相输出频率(或者相位),相位频率连续无畸变/使未达到的相关模拟还原时间异常。

DDS数字化实现了消除了手工系统调谐的需要操控和零部件老化和温度模拟合成器解决办法。

DDS实现了数字的控制接口，当它在处理器下控制时系统可被遥控的环境变得容易、精确且尽可能完善。

当它作为一个相位合成器时，DDS能够前所未有的匹配来控制I和Q的输出。

关键字直接频率合成器（DDS），任意的波形发生器，频率计SummaryDirect digital synthesis (DDS) is a technique for using digital data processing blocks as a means to generate a frequency- and phase-tunable output signal referenced to a fixed-frequency precision clock source. In essence, the reference clock frequency is “divided down” in a DDS architecture by the scaling factor set forth in a programmable binary tuning word. The tuning word is typically 24-48 bits long which enables a DDS implementation to provide superior output frequency tuning resolution.Today’s cost-competitive, high-performance, functionally-integrated, and small package-sized DDS products are fast becoming an alternative to traditional frequency-agile analog synthesizer solutions. The integration of a high-speed, high-performance, D/A converter and DDS architecture onto a single chip (forming what is commonly known as a Complete-DDS solution) enabled this technology to target a wider range of applications and provide, in many cases, an attractive alternative to analog-based PLL synthesizers. For many applications, the DDS solution holds some distinct advantages over the equivalent agile analog frequency synthesizer employing PLL circuitry.DDS advantages:Micro-Hertz tuning resolution of the output frequency and sub-degree phase tuning capability, all under complete digital control.Extremely fast “hopping speed” in tuning output frequency (or phase), phase-continuous frequency hops with no over/undershoot or analog-related loop settling time anomalies.The DDS digital architecture eliminates the need for the manual system tuning and tweaking associated with component aging and temperature drift in analog synthesizer solutions.The digital control interface of the DDS architecture facilitates an environment where systems can be remotely controlled, and minutely optimized, under processor control.When utilized as a quadrature synthesizer, DDS afford unparalleled matching and control of I and Q synthesized outputs.KeywordsDirect digital synthesis (DDS),The generator of arbitrary wave form, Frequency measure目录I、正文 (4)一、设计要求说明 (4)二、方案论证 (4)三、各模块设计原理 (6)1、相位累加器 (6)2、建立ROM宏单元 (7)3、频率控制与相位控制模块 (12)4、动态显示模块 (15)5、分频模块 (18)6、测频模块 (20)7、控制模块 (22)四、总装图 (23)五、编程下载 (24)II、结论 (25)III、参考文献 (25)IV、实验感想 (26)I、正文一、设计要求说明：本实验的内容是使用DDS的方法设计一个任意频率的正弦信号发生器，利用Quartus II完成设计、仿真等工作，并进行硬件测试。

基于FPGA来完成直接数字频率合成器(DDS)的设计摘要在信号发生器的设计中,传统的用分立元件或通用数字电路元件设计电子线路的方法设计周期长,花费大,可移植性差。

本设计是利用EDA技术设计的电路,该信号发生器输出信号的频率范围为20Hz～20KHz，幅度的峰-峰值为0.3V～5V两路信号之间可实现0°～359°的相位差。

侧重叙述了用FPGA来完成直接数字频率合成器(DDS)的设计,DDS由相位累加器和正弦ROM查找表两个功能块组成,其中ROM查找表由兆功能模块LPM_ROM来实现。

而通过设定不同的累加器初值(K1)和初始相位值(K2)，可以调节两路相同频率正弦信号之间的相位差,从而产生两路数字式的频率、相位和幅值可调的正弦波信号，最后通过MAX+plusII演示仿真结果。

与传统的频率合成方法相比，DDS合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续等诸多优点。

使用单片机灵活的控制能力与FPGA器件的高性能、高集成度相结合，可以克服传统DDS设计中的不足，从而设计开发出性能优良的DDS系统。

关键词：单片机，现场可编程逻辑门阵列，直接数字频率合成，正弦信号发生器,硬件描述语言AbstractIn the designing of the signal generator, the traditional method, which designs electronic circuits using discrete components or general digital circuits components, takes a long time with high cost, what’s more, the transplanting ability of it is unsatisfactory. In this design, the circuit is designed by means of EDA. Its output frequency range is 20Hz to 20KHz with an output amplitude range of 0.3V to 5V(P-P), and the phase difference between two outputs of the two sine signals can be modulated from 0°to 359°.The thesis emphasizing discusses the designing of DDS basing on FPGA. DDS is made up of the phrase accumulator and sine ROM looking-up table, which is realized by functional EAB chip. And through setting different initial accumulator value (K1) and initial phrase value (K2), the difference of phrase between the two sine signals can be changed. As a result, two serials of sine signals with changeable digital frequency, phrase and magnitude are produced. At last, we can show the total course and result with MAX+plusII.Compared with traditional methods of frequency synthesizing, direct digital frequency synthesizing (DDS) has lots of advantages, such as short time of quick frequency exchanging, high frequency resolution, continuous phase changing, etc. Micro-control unit has is characterized by. Many drawbacks can be overcome and a good DDS system with good performance can be developed after combining the flexible control capability of micro-control unit with high performance and integration of the FPGA devices in the same system.Keywords: MCU, FPGA, DDS, ROM sine wave generator, VHDL目录摘要 (I)Abstract (II)1绪言1.1 课题背景 (1)1.2 课题研究的目的和意义 (1)1.3 国内外概况 (2)1.4 课题的主要研究工作 (3)2 系统设计方案的研究2.1 系统的性能要求 (4)2.2 系统实现的原理 (4)2.2.1 DDS的基本原理 (5)2.2.2 FPGA实现的直接数字频率合成器 (6)2.2.3 移相原理 (6)2.3 系统实现方案分析与比较 (8)2.3.1 频率合成器方案 (8)2.3.2 移相方案 (10)2.3.3 存储器方案 (10)2.3.4 存储器寻址方案 (11)3总体设计3.1 FPGA设计DDS电路的具体实现 (12)3.1.1 相位累加器部分 (12)3.1.2 相位/幅度转换电路 (12)3.1.3 波形表生成 (13)3.1.4 D/A转换电路 (13)3.1.5 系统控制电路 (13)3.2 单片机与FPGA的接口设计 (13)3.3现场可编程逻辑器件（FPGA）的选择 (15)3.4 其他电路设计 (16)3.4.1 晶体振荡电路 (16)3.4.2 地址计数脉冲产生电路 (17)3.4.3 幅度控制电路 (17)3.4.4 单片机外扩展存储器电路 (18)3.4.5 滤波、缓冲输出电路 (18)3.4.6 键盘和显示控制电路 (19)4系统的实现4.1 系统的计算与仿真 (20)4.1.1 系统频率、相位和幅度的计算 (20)4.1.2 系统仿真 (21)4.2 单片机的编程实现 (22)5 总结与展望 (23)致谢 (25)参考文献 (26)附录 1 (28)附录2 (29)附录3 (32)1 绪言1.1 课题背景在一些电子设备的电路板故障检测仪中，往往需要频率、幅度都能由计算机自动调节的信号源。

前言频率源在现代电子系统中占有十分重要的地位 ,通信、雷达、制导等电子系统功能的实现及性能指标的好坏都直接依赖于频率源的性能。

频率源的性能是伴随着频率合成技术的进步而发展的 ,频率合成技术主要有直接合成、锁相频率合成直接数字合成(DDS)三种方式。

DDS的概念首先由美国学者J .Tierney 等人提出 ,它不同于前两种频率合成方法。

它是把一系列数字量形式的信号通过 DAC 转换成模拟信号的合成技术。

与其他频率合成方法相比 ,DDS 具有频率转换时间极短、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成等突出优点。

因此 ,它得到越来越广泛的应用 ,成为现代频率合成技术中的佼佼者。

本文通过STM32来实现对DDS芯片AD9852控制，来产生10 MHz 频率内的正弦信号、调幅信号、调频信号、ASK及 PSK信号。

并通过使用AD8370及AD811来实现对幅度的控制。

第1章绪论在工业自动化系统中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输出信号。

随着科学技术的发展，现代电子测量对信号源频率准确度和稳定度的要求越来越高。

例如在无线电通信系统中，蜂窝通信频段在912MHz并以30kHz步进。

为此，信号频率稳定度的要求必须优于10−6。

作为电子系统必不可少的信号源，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。

传统的信号源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大，灵活性与准确度差。

而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高，而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。

为此可采用直接数字频率合成( Direct Digital Synthesis ，简称DDS)技术，把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。

采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。

频率合成技术的理论形成于二十世纪三十年代左右，如今已有七十多年的发展史。

目录摘要 (1)Abstract (1)1概述 (1)DDS技术简介 (1) (2) (2)2总体设计 (2) (2) (2)3系统方案论证 (3)4系统所用主要器件介绍 (4)AD9850芯片介绍 (4)AT89C51芯片简介 (7)5硬件电路 (9) (9)AD9850波形产生电路模块 (10)6软件设计 (12) (12) (12)AD9850波形产生程序 (14)7设计的制作与调试 (14) (14)软件调试 (14)8结束语 (15)参考文献 (15)致谢 (16)附录 (17)DDS信号源设计摘要：直接数字合成（DDS）是一种重要的频率合成技术，具有分辨率高、频率变换快等优点，在雷达及通信等领域有着广泛的应用。

本文介绍了一种直接利用DDS（直接数字频率合成器）芯片AD9850及单片机AT89C51组成的简单的DDS 信号发生器的设计，讨论了频率和相位控制字的计算方法以及标准正弦信号、调频信号的产生方法，给出了相应的硬件电路和软件流程。

关键词：直接数字频率合成；AT89C51；AD9850；信号发生器Design of the Signal Source Based on DDS Abstract: Direct digital synthesis is a kind of important technique on frequency synthesis. It has many advantages，such as higher frequency resolution，faster frequency transform，and so on. It is widely used in radar，communication and many other fields. This paper presents the design of a simple DDS signal generator which consists of AD9850 and the method of controlling word with frequency and phase，as well as the way of generating standard sinusoidal signal and frequency modulated signal. Finally，it gives structure of the hardware circuit and software.Key words: Direct digital synthesis；AT89C51；AD9850；Signal generator1概述DDS技术简介近年来，随着频率合成技术广泛应用于现代无线电通信和电子技术的各个方面，DDS技术得到了迅猛发展。