基于FPGA的DDS波形发生器的设计开题报告

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）开题报告
题目：基于FPGA的DDS波形发生器的设计与实现
系（部）应用电子与通信技术系
专业通信工程（移动通信）
学生周杰
学号1069240120
班号0692401
指导教师王暕来
开题报告日期2009年10月26日
哈工大华德学院
说明
一、开题报告应包括下列主要内容：
1．通过学生对文献论述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计（论文）的内容和要求
2．进度计划是否切实可行；
3．是否具备毕业设计所要求的基础条件。

4．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；
5．主要参考文献。

二、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。

三、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。

指导教师评语：
指导教师签字：检查日期：
一、课题背景
直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，简称：DDS）技术是一种新的全数字的频率合成原理，它从相位的角度出发直接合成所需波形。

这种技术由美国学者J.Tiercy,M.Rader和B.Gold于1971年首次提出，但限于当时的技术和工艺水平，DDS技术仅仅在理论上进行了一些探讨，而没有应用到实际中去。

近30年来，随着超大规模集成（Very Large Scale Integration,简称：VLSI）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device,简称：CPLD）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称：FPGA）等技术的出现以及对DDS理论的进一步探讨，使得DDS得到了飞速的发展。

由于其具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS技术常用于产生频率快、转换速度快、分辨率高、相位可控的信号，广泛应用于电子测量、调频通信、电子对抗等领域。

近年来，已有DDS技术的波形发生器陆续被研制、生产和投入应用。

二、目的和意义
波形发生器即通常所说的信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普遍、最基本也是应用最广泛的的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。

综上所述，不论是在生产还是在科研与教学上，波形发生器都是电子工程师信号仿真试验的最佳工具。

随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。

而传统波形发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活，已经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台。

可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场要求，研究制作高性能的任意波形发生器十分有必要，而且意义重大。

基于FPGA的DDS波形发生器，由于可以获得很高的频率稳定度
和精确度，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，因此发展非常迅速，尤其是最近随着现代电子技术的不断发展，其应用更是有了质的飞跃。

目前我国已经开始研制波形发生器，并获得了可喜的成果，但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业，并且我国目前在波形发生器的的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。

三、拟采用方案的论述
1、技术指标
本次设计要求利用FPGA设计DDS波形发生器，利用Quartus II和Modelsim软件对波形发生器进行电路设计功能仿真，并对仿真结果进行分析。

量化的技术指标：
(1)能够输出典型的方波，三角波，正弦波。

(2)输出量化位数：8位
(3)输出频率≤2MHz
2、DDS基本原理
直接数字式频率合成（DDS）技术是近年来随着数字集成电路和微电子技术的发展而迅速发展起来的一种新的频率合成技术。

其基本原理就是将波形数据先存储起来，然后在频率控制字的作用下，通过相位累加器从存储器中读出波形数据，最后经过数/模转换和低通滤波后输出频率合成。

这种频率合成方法可以获得高精度频率和相位分辨率、快速频率转换时间和低相位噪声的频率信号，而且结构简单集成度高。

下图1为利用FPGA设计DDS波形发生器的结构框图。

该系统可实现标准的方波、三角波和正弦波输出。

其中相位累加器是一个带有累加功能的加法器，它以设定的频率控制字作为步长来进行加法运算，当其和满时清零，并进行重新运算，相位寄存器它主要作用是接受发送来的相位控制字数据并进行寄存，当下一个时钟到来时，输入寄存的数据，对输出波形的频率和相位进行控制。

波形存储器是DDS的关键部分，设计时首先需要对时域波形进行采样，将采样的波形数据储存到波形存储器ROM中，每一个地址对应一
个波形点的数值。

整个系统各模块实在基准时钟信号CLK的控制下协调工作的。

基准时钟CLK
图1 DDS波形发生器的结构框图
3、FPGA设计模块划分
整个设计有一个顶层模块，按照功能要求划分为三个功能模块，其中第二个模块是DDS核心模块，比较复杂，又划分为四个模块。

如图2所示：DDS波形发生器的FPGA的电路设计主要是用FPGA设计DDS的核心部分，即相位加法器，控制字寄存器，N位累加器，波形存储器。

图2 FPGA设计模块流程图
4、FPGA设计流程
FPGA是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的Xilinx公司，该公司于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。

在这二十年的发展过程中，FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。

从最初的1200个可用门，90年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片，Xilinx、Altera等世界顶级厂商已经将FPGA器件的集成度提高到一个新的水平。

FPGA结合了微电子技术、电路技术、EDA技术，使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。

一个完整的FPGA设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合后仿真、实现、布线后仿真和下板调试等主要步骤，如下图3所示。

图3 FPGA设计流程图
四、预计遇到的困难及解决方案
1、基于FPGA的DDS波形发生器的实现方法有多种，在选择比较合适的方案时，会遇到困难。

解决方法是对各种实现方法的原理进行深入研究，对比选择较好的实现方式。

2、使用Quartus II软件编译程序的时候肯定会出现这样或那样的错误，解决方法是通过查找相关书籍或请教老师查找程序中的语法错误并改正错误。

3、在使用Quartus II或者ModelSim软件仿真的过程中，对某些操作可能不太熟悉，解决方法是查找相关资料，学习软件的使用方法。

4、在硬件调试过程中可能不能完全达到技术指标，解决方法是更换些许元器件，需要反复调试。

五、进度安排
表1-1毕业设计日程安排表
六、参考文献
[1]郭军朝，直接数字频率合成研究及其FPGA实现：[硕士论文]，上
海：上海交通大学微电子学与固体电子学专业，2004
[2]姜萍、王建新、吉训生，FPGA实现的直接数字频率合成器，电子技
术应用，28(5)：43-44，2002
[3]潘志浪，基于FPGA的DDS信号源设计：[硕士论文]，武汉：武汉
理工大学通信与信息系统专业，2007
[4]Saul PH, Direct frequency synthesis-a review of techniques and potential, IEEE
15th International Conference on Radio Receivers and Associated System
Landom,UK,1900,5-9
[5]姜雪松、张海风，可编程逻辑器件和EDA设计技术，北京：机械工业
出版社，2006
[6]王城、吴继华等，Altera FPGA/CPLD设计（基础篇），北京：人民邮
电出版社，2005
[7]谢亮，基于FPGA的DDS实现的几种方式，科技广场，(8)：
105-106，2006。