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DDS课程设计
直接数字频率合成器(DDS)
一、设计任务与要求
直接数字频率综合技术,即DDS 技术,是一种新型的频率合成技术和信号
产生方法。利用EDA 技术和FPGA 实现直接数字频率合成器DDS 的设计。
设计要求:
1、 利用QuartusII 软件实验箱实现DDS 的设计;
2、 通过实验箱上的开关输入DDS 的频率控制字,并能用示波器观察加以
验证;
3、 DDS 中的波形存储器模块用Altera 公司的Cyclone 系列FPGA 芯片中
的ROM 实现。
二、总体框图
相位
控制字
N位
频率 M 累加器 相位 加法器 正(余)弦 DAC LP F 输出频率
控制字 寄存器 查找表
fout
fc
时钟源
图一
1. 设计思路:
图1 是DDS 的基本总体框图,频率控制字M 和相位控制字N 分别控制DDS 输出正弦波的
频率和相位。DDS 系统的核心是相位累加器,它由一个累加器和一个N 位寄存器组成。每
来一个时钟脉冲,相位寄存器以步长M 增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加,其结
果作为正弦查找表的地址。正弦查找表由ROM 构成,内部存有一个完整周期正弦波的数字
幅度信息,每个查找表的地址对应正弦波中0-360 °范围内的一个相位点。查找表把输入的
地址信息映射成正弦波的数字幅度信号,同时输出到数模转换器DAC 的输入端,DAC 输出
的模拟信号经过低通滤波器(LPF ),可得到一个频谱纯净的正弦波。
对于正弦信号发生器,它的输出可以用下式来描述:
其中,Sout 是指该信号发生器的输出信号波形,fout 只输出信号对应的频率。上式的表述对
于时间t 是连续的,为了用数字逻辑实现该表达式,必须进行离散化处理,用基准时钟clk
进行抽样,令正弦信号的的相位θ为
在一个clk 周期Tclk,相位θ的变化量为
其中fclk 指clk 的频率对于2 π可以理解为“满”相位,为了对Δθ进行数字量化,把2 π
切割成2N ,用词每个clk 周期的相位增量Δθ用量化值B Δθ来描述:B Δθ= (Δθ·2N )
/2 π,且B Δθ为整数与上式联立可得:
显然,信号发生器可以描述
其中θk- 1 指前一个clk 周期的相位值,同样得出
由以上推倒可以得出,只要对相位的量化值进行简单的累加运算,就可以得到正弦信号的当
前相位值,而用于累加的香味增量量化值B Δθ决定了信号的输出频率fout 并呈现简单的线
性关系。
DDS 基本结构框图特点:其中CLK 来自高稳性晶振所提供,用于提供DDS 各种部件
的同步工作。DDS 核心的相位累加器由一个N 位字长的二进制加法器和一个有时钟f 取样
的N 位寄存器组成,作用是对频率控制字进行线性累加;波形存储器中所对应的是一张函
数波形查询表,对应不同的相位码址输出不同的幅度编码。当相位控制字为0,相位累加输
出的序列对波形存储器寻址,得到一系列离散的幅度编码。该幅度编码经D/A 转换后得到
对应的阶梯波,最后经低通滤波器平滑后可得到所需的模拟波形。相位累加器在基准时钟的
作用下,进行线性相位累加,当相位累加器加满量时就会产生一次溢出,这样就完成了一个
周期,这个周期就是DDS 信号的一个频率周期。
2. 各模块的功能
(1) 频率预置和调节电路
不变量K 称作相位增量,也叫频率控制字。此模块实现频率控制量的输
入。
(2) 相位累加器
相位累加器是一个带有累加功能的N 位加法器,它以设定的N 位频率控制
字K 作为步长进行线性累加,当其和满时,计数器清零,并进行重新运算,
它使输出频率正比于时钟频率和相位增量之积。
(3) 相位寄存器
相位寄
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