直接数字频率合成(DDS)方法

南京师范大学学士学位论文第1页，共16页南京师范大学物理科学与技术学院摘要多功能信号发生器是信号发生器中的一种，广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面，是工程师进行产品研发和生产的必备仪器之一。它的主要功能是为待测设备提供稳定、可靠并可以人工调节和控制的信号源。本文采用由美国学者J.TierncyC.M.Rader和B.Gold1971年提出来的直接数字频率合成（DDS）方法，在CPLD可编程逻辑器件利用VHDL编写波形发生程序，实现多功能信号发生器。本课题设计的多功能信号发生器利用CPLD可在线编程的特点、DDS的原理，可以实现多种频率、相位的方波、正弦波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。在输出端接入可编程运放后，还能实现多种幅值的波形。关键词：多功能信号发生器DDS可编程逻辑器件VHDL数字系统设计南京师范大学学士学位论文第2页，共16页南京师范大学物理科学与技术学院AbstractThemulti-functionsignaltakeplacethemachinetoisinthesignaloccurrencemachineakindof,beingapplyintheelectronicstomeasureextensively,theelectricpowerengineering,thethingmineral勘explore,medicaltreatment,vibrationanalysis,thevoicelearnsanalysis,breaksdowntoexamineapatientandtheteachingresearchetc.isvarious,isoneoftheessentialinstrumentsthattheengineercarriesontheproductdevelopmentandproduce.Itsmainfunctionisfortreattomeasuretheequipmentstoprovidethestability,thecredibilityisalsocanwiththesignalofartificialregulateandcontrolsource.ThedirectnumericalfrequencythatthisliterarygraceusetobeputforwardbytheAmericanscholarJ.TierncyC.M.RaderandB.Gold1971yearsynthesize(DDS)themethod,makinguseoftheVHDLplaittowriteaformoccurrenceprocedureintheCPLDprogrammablelogicmachinepiece,carryingoutthemulti-functionsignaloccurrencemachine.Multi-functionsignaltheoccurrencemachineofthistopicdesignmakeuseofCPLDcanon-lineplaitdistanceofprincipleofcharacteristics,DDS,cancarryoutvariousfrequencies,mutuallythesquarewave,sinewave,trianglewave,theteethofasawwaveof,evenarbitrarilyaform.Afterexportationcarryconnecttogointotheprogrammablelucktoput,canstillcarryoutaformforbeworthofvarious.Keywords:Multi-functionalsignalgeneratorDDSCPLDVHDLThedesignofdigitalsystem南京师范大学学士学位论文第3页，共16页南京师范大学物理科学与技术学院目录第一章：绪论……………………………………………………4§1.1设计要求………………………………………………………4§1.2信号发生器的发展历史………………………………………4§1.3我国信号发生器市场现状………………………………………5第二章：多功能信号发生器的设计………………………………6§2.1设计指导思想…………………………………………………6§2.2信号发生器的构成………………………………………………7§2.3波形发生设计…………………………………………………8§2.1.1方波的发生………………………………………………8§2.1.2锯齿波的发生……………………………………………8§2.1.3三角波的产生……………………………………………9§2.1.4正弦波的产生……………………………………………9§2.1.5各种波之间的切换………………………………………10§2.4信号仿真波形…………………………………………………11§2.5数字信号的数模转换…………………………………………12第三章：结论……………………………………………………14§3.1多功能信号发生器的功能……………………………………14§3.2多功能信号发生器的改进思想………………………………14第四章：谢辞……………………………………………………15第五章：参考文献………………………………………………16南京师范大学学士学位论文第4页，共16页南京师范大学物理科学与技术学院第一章绪论测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测，其中激励仪器主要是各类信号发生器。多功能信号发生器是信号发生器中的一种，广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面，是工程师进行产品研发和生产的必备仪器之一。它的主要功能是为待测设备提供稳定、可靠并可以人工调节和控制的信号源，如正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声和扫频信号以及用户定义的任意波形。§1.1设计要求要求用CPLD器件实现多功能发生器，可以输出四种波形，分别是方波、锯齿波、三角波和正弦波。VHDL即超高速集成电路硬件描述语言，主要用于描述数字系统的行为、结构、功能和接口。用VHDL语言编写波形发生程序。§1.2信号发生器的发展历史作为工业产品特别是电力、电子产品的研制和生产领域中最重要的测试设备之一，信号发生器的发展历史可以追溯到上世纪40年代。1943年惠普为海军研究实验室开发了第一台信号发生器，从而使得人们在测试设备时可以利用可控的信号源进行比较完善和安全的测试和测量。在随后的二十年间，信号发生器一直随着电子技术、计算机技术的发展而发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。从技术上看，信号发生器经历了由模拟信号发生器、数字式信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程。从四十到六十年代，信号发生器都是完全用以电子管工艺为基础的模拟电路搭建的，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器，其信号的精度和可控性都不好，而且可产生的信号的种类很少，对于较复杂的信号，其电路都非常复杂，造成体积庞大，不易移动。六七十年代，随着晶体管工艺的出现、大规模和超大规模集成电路的应用，数字电路在信号发生器中得到广泛的应用，从而大大提高了信号发生器的精度，减少了电路本身产生的造神，体积也大为缩小。八十年代开始，计算机已经在工业生活中逐渐占据了重要的位置，信号发生器也开始从纯粹的由分立元件搭建改为以微处理器为核心的集成系统，这时候的新号发生器已经发生重大的变化，比如说，它所能产生信号的种类大大增加；通用性得到很大的提高；任意波信号可以通过人工设定在同一台信号发生器中产生；频宽也大大地增加了；过去的多种类的新号发生器也简单地划分为低频和高频两种，低频信号的频宽从0~50MHZ，高频则可达到20GHZ以上，但它仍存在人机界面不友好，软硬件升级维护困难等缺点。九十年代以后虚拟一起进入了人们的视野。这种完全以计算机软件为核心，辅以相应的硬件设备的测试系统代表了未来测试仪器的发展方向。人们可以在友好的人机见面环境中轻松地进行各种复杂的操作，信号发生器也从一个完全独立的测试设备，而成为整个虚拟仪器系统中一个必不可少的子模块。信号发生器中的一项关键技术是信号频率的变动控制。早期的信号发生器大都借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其他函数波形，频率的变动由机械驱动可变元件（如电容器或谐振腔）来完成，其缺点是显而易见的，那就是频率不稳，噪声大，频率的改变控制不容易，这就催生了锁相频率合成器（PhaseLockedFrequencySynthesize)。这是一次技术上的飞跃，它基于锁相环路原理，从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器中综合处大量离散频率，集成度高，可靠性好且价格低廉，直到现在锁相频率合成仍然是工程应用中最为普遍的技术。而直接数字频率合成南京师范大学学士学位论文第5页，共16页南京师范大学物理科学与技术学院（DirectDigitalFrequencySynthesize，DDFS）则是近几年来最新发展的技术，它完全摆脱间接数字合成的乘法/除法电路，直接在基准时钟的准确相位控制下获得合成频率输出，其频率控制模块中的相位累加器由寄存器和加法器组成，相位信息存储在波形存储器内，再经数模转换后输出最低合成频率，随着频率控制输入的增长，输出合成频率亦增加。相位累加器的宽度增加时，输出合成频率的准确度相应增加。DDFS频率变换速度主要取决于累加器和数模转换器的开关时间，显然要比模拟电路快得多，因此广泛采用DDFS技术是必然的发展趋势。§1.3我国信号发生器市场现状目前我国经济开始进入一个新的发展时期，经济的快速发展将加快企业的技术改造步伐，各行业特别是电子、通信行业对先进任意波的需求更加强劲。据最新电子商情报道，从1998年开始，由于国家采取了扩大内需发展经济的决策，扩大了国产任意波发生的市场，销量增长都在30%左右。但我国的任意波发生器市场大部分被国外产品所占领，国内产品市场占有率很低。目前，Anritsu、Agilent、Advantest、R/S、TEKTRONIX、NI几家著名仪器公司都在生产各类任意波信号发生器，如Agilent公司生产的HP33120A函数/任意波发生器、Advantest公司生产的33120A函数/任意波发生器。Agilent的信号发生器一直是业界公认的高水平仪器，而且种类和型号最多，产品功能全、技术含量高。近几年Anritsu、Agilent、Advantest、R/S，NI等外国公司在我国的销售额逐年大幅度上升，Agilent公司在中国销售的任意波信号发生器已极大地超过国内产品。我国的仪器技术水平在发展中国家处于领先地位，且价格便宜。境外有的销售商已把目标转向国内的产品，出口到北美、欧洲、东南亚的任意波发生器逐年增加，所以扩大外销产品是扩大国产任意波市场的一条重要出路。总之，努力开发拥有自主知识产权的先进任意波信号发生器已成为我国仪器行业的当务之急。只有这样美国产任意波信号发生器才能在竞争激烈的国内仪器市场中占有一席之地。南京师范大学学士学位论文第6页，共16页南京师范大学物理科学与技术学院第二章多功能信号发生器设计§2.1设计指导思想用大规模CPLD设计多功能信号发生器，要求能够输出方波、锯齿波、三角波、正弦波。具体是用VHDL硬件描述语言编写多功能信号发生器程序，经过编译、仿真，再下载到CPLD器件上，再经数模转换器输出各类波形。1．CPLD（COMPLEXProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件）属于最具有代表性的IC芯片之一。CPLD基本上是由多个SPLD（SIMPLEPLD）在单片上的集成，集成度高，可以实现比较复杂的电路或系统。CPLD的优点是其结构的规则性，可以较好地预测定时（延时）时间。CPLD的市场增长极快，已广泛用于各个领域。CPLD