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直接数字频率合成器

直接数字频率合成器. Direct Digital Frequency Synthesizer. 讲解提纲. 一、设计内容. 二、设计原理. 三、设计要求. 四、设计报告要求. 一、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 ）。. 二、设计原理. 1 、概念. (1) 频率合成技术. 利用频率合成的方法，使某一（或多个）基准频率，通过一定的变换与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。. (2) 频率合成技术应用.

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直接数字频率合成器

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Presentation Transcript

  1. 直接数字频率合成器 Direct Digital Frequency Synthesizer

  2. 讲解提纲 一、设计内容 二、设计原理 三、设计要求 四、设计报告要求

  3. 一、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）。

  4. 二、设计原理 1、概念 (1)频率合成技术 利用频率合成的方法，使某一（或多个）基准频率，通过一定的变换与处理后，形成一系列等间隔的离散频率。

  5. (2)频率合成技术应用 短波通信：要求通信机能在2--30MHz频段内，提供以100Hz 为间隔的28万个频率点； 移动通信：要求通信机能在150、400、900、1800MHz频率附 近提供上百个频率点； 其他各种电子应用领域，如：电子对抗、现代电子测量仪器等。

  6. (3)频率合成的方法 1）直接式频率合成器 利用单个或多个不同频率的晶体振荡器作为基准信号源，经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号。 2）间接式频率合成器（锁相频率合成器） 基于锁相环的同步原理，由锁相环的压控振荡器间接产生所需的频率输出的一种技术。 3）直接数字频率合成器（DDS） 它是目前最为典型、应用最广泛的一种频率合成技术。

  7. (4)直接数字频率合成技术 概念： 直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesizer）是一种基于全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。

  8. 优点： 工作频率范围很宽； 极高的频率分辨力； 极短的频率转换时间； 任意波形输出能力； 数字调制性能好。

  9. N位 S(n) S(t) 频率预置与 调节电路 波形 存储器 D/A 转换器 低通 滤波器 K 累加器 N位 D位 f c 组成：

  10. N位 S(n) 低通 滤波器 S(t) 频率预置与 调节电路 波形 存储器 D/A 转换器 K 累加器 N位 D位 f c 2、DDS原理

  11. (1)频率预置与调节电路 作用：实现频率控制量的输入； 不变量K被称为相位增量，也叫频率控制字。

  12. 相位量化序列 N位 频率控制字K 加法器 寄存器 N位 N位 f c (2)累加器 相位累加器的组成= N位加法器+N位寄存器 相位累加器的作用：在时钟的作用下，进行相位累加 注意：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。

  13. 思考题： 1、产生的信号频率是多大？ 2、产生的信号频率范围是多少？

  14. 正 弦 幅 度 量 化 序 列 地 数 相 位 量 化 序 列 波 形 R O M 址 据 D 位 N 位 (3)波形存储器 作用：进行波形的相位—幅值转换。 原理： ROM的N位地址 把0O—360O的正弦角度离散成具有2N个样值的序列 ROM的D位数据位 则2N个样值的幅值量化为D位二进制数据

  15. (4)D/A转换器 D/A转换器的作用 把已经合成的正弦波的数字量转换成模拟量。

  16. (5) 低通滤波器 D/A转换器的作用 滤除生成的阶梯形正弦波中的高频成分，将其变 成光滑的正弦波。

  17. 余弦ROM 8位D触发器 余弦波 addr [7..0] 数值输出 q[7..0] data q[7..0] [7..0] clk clk 相位累加器 8位相位寄存器 data1 data1 result result 4位频率 [7..0] [7..0] data [7..0] 控制字K q[7..0] data2 data2 clk 正弦ROM 8位D触发器 正弦波 addr 4位相位控制字P [7..0] 数值输出 q[7..0] data q[7..0] [7..0] clk clk 基准时钟fc 频率和相位均可控制的具有正弦和余弦输出的DDS 核心单元电路示意图

  18. 三、设计要求 基本要求 （55分） 提高要求 （45分）

  19. 设计基本要求（55分） 设计一个频率和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（DDS）,要求： 1、利用maxplusII软件和LT-IV实验箱实现DDS的设计； 2、DDS中的波形存储器模块用Altera的Flex10k10系列中的 RAM实现，RAM结构配置成256×8类型； 3、具体参数要求：频率控制字M=4位；基准频率fc=131KHz,由 实验板上的CP2提供； 4、系统具有清零和使能的功能；

  20. 5、通过开关（实验箱上的Ki）输入DDS的频率和相位控制字，并能用示波器观察加以验证；5、通过开关（实验箱上的Ki）输入DDS的频率和相位控制字，并能用示波器观察加以验证； 6、利用实验箱上的D/A转换器件将ROM输出的数字信号转换为 模拟信号，能够通过示波器观察到正弦波形； 7、利用VHDL语言自行设计各种模块；

  21. 设计提高部分要求（45分） 1、通过按键（实验箱上的Si）输入DDS的频率和相位控制字；(按键后有消颤电路) 2、扩大频率控制和相位控制的范围； 3、在数码管上显示生成的波形频率； 4、在数码管上动态显示生成的波形频率（尽量提高精度）； 5、充分考虑ROM结构及正弦函数的特点，进行合理的配置， 提高计算精度；

  22. 6、设计同时能输出多种波形（三角波、锯齿波、方波等）的多功能波形发生器；6、设计同时能输出多种波形（三角波、锯齿波、方波等）的多功能波形发生器； 7、从仿真波形中生成tbl文件，并利用Matlab等高级语言画出波形; 8、利用可编程模拟芯片对生成的波形进行滤波，生成光滑的波形； 9、自己添加其他功能。

  23. 四、设计报告要求 1、设计文档 2、电路设计文件 3、设计感想

  24. 1、设计文档 ★ 封面：包括名称，学号，姓名，设计时间等； ★ 摘要和关键词（中英文）； ★ 目录； ★ 正文： *设计要求说明 *方案论证（整体电路的工作原理） *各子模块设计原理 *调试 *仿真 *编程下载 ★ 结论； ★ 参考文献。

  25. 2、电路设计文件 * 原理图文件； * VHDL原文件； * 波形仿真文件； * 高级语言程序及其生成的RAM文件（.mif)。

  26. 3、设计感想 * 设计过程中遇到的问题及解决问题的方法； * 设计的收获与感受； * 期望及要求；

  27. 1、褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用.西安电子科技大学出版社，1、褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用.西安电子科技大学出版社， 2002 2、黄正瑾.在系统编程技术及其应用.东南大学出版社，1999 3、林明权. VHDL数字控制系统设计范例.电子工业出版社，2003 4、卢毅，赖杰. VHDL与数字电路设计.科学出版社，2002 5、侯伯亨，顾新. VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计，西 安电子科技大学出版社，1999 6、董在望. 通信电路原理，高等教育出版社，2002 参考文献

  28. 由tbl文件观察仿真曲线 利用max+plusII进行波形仿真：由于仿真波形为数字码，不能直观地看出DDS输出的波形，为了便于调试设计的电路，我们可以利用计算机高级语言将max+plusII波形仿真结果转化为波形曲线，这就需要借助于max+plusII的表格文件（.tbl文件）

  29. max+plusII的设计软件中的.tbl文件是纯文本文件，它包含了.scf文件或.wdf文件中的所有信息。 .tbl文件的生成很简单，在max+plusII波形仿真结束后，打开.scf文件，然后从“File”菜单中选择“Creat Table Files”选项，就可产生.tbl文件。

  30. .tbl文件基本格式

  31. 文件的结构可分为四大部分，其中第三和第四部分对我们来说是最关键的，我们可以从中获取仿真波形数据，并利用计算机高级语言处理这些数据，将其转换为直观的波形曲线。文件的结构可分为四大部分，其中第三和第四部分对我们来说是最关键的，我们可以从中获取仿真波形数据，并利用计算机高级语言处理这些数据，将其转换为直观的波形曲线。 注意：每做一次波形仿真，都要重新生成一次.tbl文件，以 更新.tbl文件内的数据。

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