基于DDS的智能数字信号发生器的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 7.7MB 68 页 15积分
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摘要
直接数字合成（DDS）技术是上世纪七十年代提出的一种频率合成技术，具
有极快的频率切换速度和极高的频率分辨率。其相位可以连续变化，可以输出任
意波形，并且可以进行数字调制。它的这些优点和其数字结构满足了现代电子系
统的诸多要求，因此得以迅速发展，广泛地应用于众多领域。现场可编程门阵列
（FPGA）的出现使现代电子设计更加灵活。本设计使用 FPGA 根据 DDS 原理，
利用单片机作控制器件设计了一种可产生任意波的多功能信号发生器。
本文首先介绍了 DDS 的基本原理和特点，随后分析了理想与实际情况下 DDS
输出的特点和影响输出频谱的因素。并给出了改善 DDS 输出的两种技术：扰动技
术和泰勒级数法。其次详细介绍了系统的设计情况。单片机控制部分的设计，给
出了相应的设计思想和程序流程。正弦波设计，任意波的设计和调制波的设计等
等，都根据 FPGA 器件的硬件资源和设计软件集成的工具给出更加快速和可靠的
实现方式，体现了 FPGA 作为设计实现工具的优势。随后介绍了模拟部分电路的
设计和相关器件的选用。最后验证了设计的实际输出情况，对输出的波形进行分
析，并对预定的设计性能进行验证。对可能影响实现结果的因素作了分析。实验
结果表明，本设计达到了预期的性能指标。
关键词：直接数字合成技术 现场可编程门阵列器件 知识产权核 任意
波
ABSTRACT
The concept of direct digital synthesis (DDS) was put forward in the 1970s. The
DDS takes many advantages. The DDS system has very rapid frequency switching time,
very low frequency resolution, very strong ability of generating arbitrary waves. The
output wave of the DDS system is consecutive in phase, and could be modulated. All of
these so many merits and its digital structure meet many challenges of modern
electronic design which make DDS developing quickly and being used in many fields.
The advent of Field Programmable Gate Array(FPGA) makes the modern electronic
design more flexible. This paper will give a complete design of a signal generator with
multi-function based on DDS theory on the platform of FPGA, which uses a single chip
computer as controller.
At the first, the fundamental principle and feature are elaborated. Then, the output
spectrum properties of DDS system are analyzed in the situation of ideal and practical.
The analysis points out the factors which determine the spur of the output spectrum. The
phase dithered and taylor series corrected DDS are mentioned immediately to improve
the output spectrum. In the next, the design is presented in detail. The integrated design
philosophy and the primary firmware flew diagram of MCU also are described. The
design of sine wave, arbitrary wave and modulated wave are linked closely to the
hardware source and develop environment of FPGA. That ensures the design faster and
steadier and reflects the superior of FPGA. The design of analog circuit and the select of
the device also are given. At the last, the reality output is inspected. The output wave’s
performance was analyzed to get some factor which cloud influence the wave through
the experiment. The result of test shows that the design meets the anticipative design
performance requirement.
Key Word: DDS, FPGA, IP Core,Arbitrary wave
I
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 信号发生器简介 ...............................................................................................1
§1.2 信号发生器的主要性能指标 ...........................................................................2
§1.2.1 普通函数发生器的主要指标 ..................................................................2
§1.2.2 任意波发生器的主要指标 ......................................................................2
§1.3 信号发生器的国内外发展现状 .......................................................................3
§1.4 本课题的研究内容 ...........................................................................................4
§1.5 课题来源 ...........................................................................................................5
第二章 DDS 原理与性能研究 ........................................................................................6
§2.1 DDS 原理简介 ...................................................................................................6
§2.2 DDS 的特点 .......................................................................................................8
§2.3 理想情况下的 DDS 频谱分析 .........................................................................9
§2.4 相位截断下的 DDS 频谱分析 .......................................................................12
§2.4.1 相位误差序列的频谱分析 ...................................................................12
§2.4.2 相位截断条件下的频谱分析 ...............................................................13
§2.5 幅度量化误差分析 .........................................................................................16
§2.5.1 幅度量化误差的统计分析 ...................................................................16
§2.5.2 幅度量化误差信号在 DAC 输出端的频谱特性 ................................ 16
§2.6 DAC 对DDS 输出性能的影响 ...................................................................... 18
§2.7 DDS 输出频谱的改善 .....................................................................................19
§2.7.1 随机扰动 DDS ......................................................................................19
§2.7.2 泰勒级数近似算法 ...............................................................................20
第三章 DDS 信号发生器系统设计 ..............................................................................22
§3.1 系统总体设计介绍 .........................................................................................22
§3.2 控制部分设计 .................................................................................................22
§3.2.1 控制部分硬件设计及固件流程 ...........................................................22
§3.2.2 频率控制字的转换与发送 ...................................................................24
§3.3 FPGA 外围电路设计 ...................................................................................... 26
§3.3.1 FPGA 介绍 ............................................................................................ 26
II
§3.3.2 FPGA 的时钟与电源设计 .................................................................... 28
§3.3.3 FPGA 的编程与配置 ............................................................................ 29
§3.4 FPGA 的基本模块设计 .................................................................................. 32
§3.4.1 频率控制字与命令的接收 ...................................................................32
§3.4.2 基于 DDS IP 核的正弦波设计 ............................................................ 33
§3.4.3 相位累加器与无 ROM 三角波设计 ................................................... 36
§3.4.4 旋转编码器的驱动 ...............................................................................37
§3.4.5 串行 DAC 驱动的设计 ........................................................................ 39
§3.5 任意波形发生器的设计 .................................................................................40
§3.5.1 UART 的设计 ........................................................................................40
§3.5.2 RAM 的读写操作 ................................................................................. 43
§3.6 调制波形的设计 .............................................................................................44
§3.6.1 扫频信号的设计 ...................................................................................44
§3.6.2 PWM 波的设计 ..................................................................................... 44
§3.6.3 键控信号的产生 ...................................................................................46
§3.7 时钟管理器的设计 .........................................................................................47
§3.8 模拟电路的设计 .............................................................................................49
§3.8.1 DAC 电路 .............................................................................................. 49
§3.8.2 低通滤波器的设计 ...............................................................................50
§3.8.3 电平偏移与放大电路 ...........................................................................52
第四章 系统的实现与性能分析 ...................................................................................54
§4.1 电路板的制作与调试 .....................................................................................54
§4.2 FPGA 的实现 .................................................................................................. 55
§4.3 输出波形的测试 .............................................................................................56
第五章 总结 ...................................................................................................................61
参考文献 .........................................................................................................................63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................65
致谢 .................................................................................................................................66
第一章 绪论
1
第一章 绪论
本章内容主要包括信号源的不同种类和应用、信号发生器性能指标、当前国内
外先进研究水平、本课题的意义、主要研究内容和实现方法简介。
§1.1 信号发生器简介
凡是产生测试信号的仪器，统称为信号发生器，也称为信号源[1]。它用于产生
被测电路所需特定参数的电测试信号，根据用户对其波形的命令来产生所需的各
种已知信号（波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。
信号发生器有很多种分类方法，其中一种方法可分为混和信号发生器和逻辑信
号发生器两种。其中混和信号发生器主要输出模拟波形；逻辑信号发生器输出数字
码形。混和信号发生器又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器。
函数发生器是使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波
等波形，有的还同时具有调制和扫描功能，如今市场上的大部分函数信号发生器
均为基于直接数字合成（Direct Digital Synthesis-DDS）技术[2]。直接数字合成式函
数信号源在频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟式，而且相位抖动（Phase
Jitter）及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字式信号源中，数字电路与模
拟电路之间的干扰始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函
数信号发生器。
任意波形发生器是一种特殊的信号发生器，不仅具有一般信号发生器波形生
成能力，而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。在我们实际的电路运行
中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种缺陷信号和瞬变信号，
如果在设计之初没有考虑这些情况，有的将会产生灾难性后果。任意波发生器则
可以仿真实际电路，对设计进行全面的测试。任意波形发生一般是依赖计算机通
讯输出波形数据。在计算机传输中，通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于
扩充仪器的能力，更进一步仿真实验。另外，内置一定数量的非易失性存储器，
随机存取编辑波形，有利于参考对比，或通过随机接口通讯传输到计算机作更进
一步分析与处理。有些任意波形发生器有波形下载功能，在做一些麻烦、费用高
或风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计
算机接口传输到信号源，直接下载到设计电路，更进一步进行实验验证。
另外，信号发生器还可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描
信号发生器、频率合成器、噪声信号发生器、脉冲信号发生器等等。
信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、
电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、
基于 DDS 的智能数字信号发生器的研究
2
视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器；对新研制的数模
转换器(DAC)和模 数转换 器(ADC) 必须执行穷尽测试，以确定其线性度、
单调性和失真的界限。最新技术的任意波信号发生器可以同时生成同相模拟
信号和数字信号，且可以以高达 1 Gbps 的速率驱动这些器件。在工业、农业、
生物医学等领域内的电力电子、高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振
成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
§1.2 信号发生器的主要性能指标
传统函数发生器的主要指标[3]和新近出现的任意波形发生器的主要指标有一
些不同，分开介绍如下：
§1.2.1 普通函数发生器的主要指标
带宽：为模拟带宽，与采样速率等无关。信号源的带宽是指信号的输出频率
的范围，并且一般来讲信号源输出的正弦波和方波等波形的频率范围不一致。例
如，信号发生器 DG3061A(RIGOL)产生正弦波的频率范围是 1µHz ～60MHz，而
方波为 1µHz ～30MHz。
频率分辨率：即最小可调频率分辨率，也就是产生波形时可以使用的最小时
间增量。
频率准确度：信号源显示的频率值与真值之间的偏差，通常用相对误差表示，
低档信号源的频率准确度只有 1%，而采用内部高稳定晶体振荡器的频率准确度可
以达到千万分之 1。例如，信号源 AWG7102 的频率准确度为 1ppm（part per million）。
频率稳定度：外界环境不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率
相对于设置读数的偏差值的大小。频率稳定度一般分为长期频率稳定度（长稳）
和短期频率稳定度（短稳）。其中，短期频率稳定度是指经过预热后，15 分钟内，
信号频率所发生的最大变化；长期频率稳定度是指信号源经过预热时间后，信号
频率在任意三小时内所发生的最大变化。
输出阻抗：从输出端看去，信号源的等效阻抗。例如，低频信号发生器的输
出阻抗通常为 600Ω，高频信号发生器通常为 50Ω，电视信号发生器通常为 75Ω。
输出电平范围：输出信号幅度的有效范围，输出幅度一般由电压或者分贝表
示。信号源的输出幅度读数定义为输出阻抗匹配的条件下，所以必须注意输出阻
抗匹配的问题。
§1.2.2 任意波发生器的主要指标
取样（或采样）速率：仪器可以运行的最大时钟或取样速率，通常用每秒兆
样点或者千兆样点表示。取样速率影响着输出信号的频率和保真度。奈奎斯特取
第一章 绪论
3
样定理规定，取样频率或时钟速率必须至少是生成的信号中最高频谱成分的两倍，
以保证精确的复现。
存储深度（记录长度）：记录波形的数据点数，它决定着波形数据的最大样
点数量（相当于时间）。每个波形样点占用一个存储器位置，每个位置等于当前
时钟频率下取样间隔时间。任意波形发生器的带宽是由任意波发生器的取样速率
和存储深度决定的。
垂直（幅度）分辨率：信号源中可以编程的最小电压增量，也就是仪器数模
转换器的二进制字宽度，单位为位。它规定了波形的幅度精度。在混和信号源中，
垂直分辨率与仪器 DAC 的二进制字长度有关，位越多，分辨率就越高。
§1.3 信号发生器的国内外发展现状
上文中提到，现在的信号发生器多是基于数字技术的，而数字技术又多是基
于直接数字频率合成技术（DDS）。DDS 技术是上世纪 70 年代提出的一种从相位
概念出发直接合成所需要的波形的新的全数字频率合成技术。它的众多优点使其
成为目前合成信号发生器技术中最热门的发展领域。在该技术中，信号是由存储
在波形查找表中的数值组成的，用一个快速 DAC 转换器即可实现模拟信号的输出。
不久以前数字频率合成技术还只限于很低的频率，随着砷化镓（GaAs）器件及高
速D/A 的使用，已经使频率转换速度达到亚微秒量级。
国外生产 DDS 信号发生器的厂家主要有 Tektronix，HP/Agilent，Fluke 等等。
以Tektronix 公司的 AWG7000 任意波形发生器[4]为例，这是一款专为满足高速串行
数据总线和宽频数字射频设备的测试要求而设计的。具有 5.8GHz 的带宽，10 位分
辨率以及高达 20GS/s 的取样速率，波形存储深度达到 64M。AWG7000 能够创建、
复现、生成高速、真实的任意波形，包括预加重/去加重以及高达 10Gb/s 的多电平
信号。该款仪器还具有 10.4 英寸的 LCD 彩色触摸屏和一个采用 Window XP 的直
观用户界面的集成式 PC，可移动硬盘，CD/DVD 驱动器，USB 端口，以太网和
GPIB，有助于工程师提高效率。Agilent 公司（从 HP 公司拆分出来）的 E4433A
的输出范围为 250KHZ-4GHZ。Fluke 也都是测量行业的高水平厂家，产品也具有
很高的性能。当然价格上也是很昂贵的。
国内的先进水平的生产厂家主要有北京普源精电科技有限公司（RIGOL）、南
京胜普仪器科技有限公司、台湾的固纬电子（GWINSTEK）有限公司等等。北京
普源精电的最高端产品是 DG3000 系列的 DG3121A。它具有 300MSa 的采样率，
14 位垂直分辨率，1M 采样点存储深度，输出宽度为 100mHZ-120MHZ，具有 USB，
RS-232，GPIB，LAN 等丰富的接口，可以产生正弦波、方波、锯齿波等 10 种标
摘要：

摘要直接数字合成（DDS）技术是上世纪七十年代提出的一种频率合成技术，具有极快的频率切换速度和极高的频率分辨率。其相位可以连续变化，可以输出任意波形，并且可以进行数字调制。它的这些优点和其数字结构满足了现代电子系统的诸多要求，因此得以迅速发展，广泛地应用于众多领域。现场可编程门阵列（FPGA）的出现使现代电子设计更加灵活。本设计使用FPGA根据DDS原理，利用单片机作控制器件设计了一种可产生任意波的多功能信号发生器。本文首先介绍了DDS的基本原理和特点，随后分析了理想与实际情况下DDS输出的特点和影响输出频谱的因素。并给出了改善DDS输出的两种技术：扰动技术和泰勒级数法。其次详细介绍了系统的设...

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