DDS任意波形发生器设计.ppt

嵌入式单片机开发培训,西安电子科技大学 张剑贤,DDS技术 DDS技术应用 DDS方案设计 基于FPGA的DDS任意波形发生器,DDS任意波形发生器设计,DDS技术,直接数字合成技术(Direct Digital Synthesis，简称DDS)是建立在采样定理基础上，首先对需要产生的波形进行采样，将采样值数字化后存入存储器作为查找表，然后通过查表读取数据，再经DA转换器转换为模拟量，将保存的波形重新合成出来。 DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。,DDS组成部分关系,时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字； 频率分辨率取决于累加器位数； 相位分辨率取决于ROM的地址线位数； 幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。,将要产生的波形数据存入波形存储器中，然后在参考脉冲的作用下，对输入的 频率数据进行累加，并将累加器输出的一部分作为读取波形存储器的地址，将读出的波形数据经D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波器波后便输出了光滑的合成波形的信号。,DDS工作原理,相位累加器,相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。 每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。 累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。 累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。,DAC部分,DAC将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号； 低通滤波器用于衰减和滤除不需要的取样分量以便输出频谱纯净的正弦波信号。,相位幅值转换部分,用相位累加器输出的数据作为取样地址，对正弦波波形存储器进行相位幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形幅值。,DDS输出频率,DDS最大最小频率,DDS最低频率（分辨率）,根据奈奎斯特抽样定理，DDS的最大频率,奈奎斯特抽样定理,奈奎斯特抽样定理：要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。 抽样频率小于2倍频谱最高频率时，信号的频谱有混叠。 抽样频率大于2倍频谱最高频率时，信号的频谱无混叠。,DDS特点,频率分辨率高，输出频点多，可达 2N个频点(N为相位累加器位数)； 频率切换速度快，可达us量级； 频率切换时相位连续； 可以输出宽带正交信号； 输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用； 可以产生任意波形； 全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。,DDS集成芯片,QUALCOMM公司的Q2334，Q2220，Q2230,Q2240,Q2368； STANFORD公司的STEL-1175，STEL-1180； AD公司的AD7008，AD9850，AD9854,DDS技术应用,广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。,实时模拟仿真的高精密信号,在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。 例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器（DSO）捕获的波形。,实现各种复杂方式的信号调制,DDS也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：频率、相位和幅度均可由数字信号精确控制，因此DDS可以通过预置相位累加器的初始值来精确地控制合成信号的相位，从而达到调制的目的。 现代通信技术中调制方式越来越多，BPSK，QPSK，MSK都需要对载波进行精确的相位控制。而DDS的合成信号的相位精度由相位累加器的位数决定。,作为理想的频率源实现频率精调,DDS能有效地实现频率精调，它可以在许多锁相环（PLL）设计中代替多重环路。 在一个PLL中保持适当的分频比关系，可以将DDS的高频率分辨率及快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机地结合起来，从而实现更为理想的DDSPLL混合式频率合成技术。,DDS信号源,最常见的信号源类型包括任意波形发生器，函数发生器，RF信号源，以及基本的模拟输出模块。 信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。,DDS-任意波形发生器,任意波形发生器(AWG)通常提供较深的存储器，较大的动态范围以及较宽的带宽，来满足各式各样的应用，包括通信、半导体和系统测试。 AWG接收来自PC的用户自定义数据，并利用这些数据来生成任意波形 。,DDS-函数发生器,函数发生器产生固定波形，如正弦波、方波或三角波，频率可调节。 函数发生器无需来自计算机或大容量存储缓冲器的连续输入，因为设备本身能够产生这些波形。 函数发生器可以基于模拟技术，也可以基于数字技术。,DDS方案设计,方案选择 实现DDS的技术方法,方案选择,方案一：采用单片机函数发生器（如8038），8038 可同时产生正弦波、脉冲波，方法简单易行；用 D/A 转换器的输出来改变调节电压，也可以实现数控调整频率，但步长难以满足要求，且频率稳定度不太高。,方案选择,方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂，不适于产生低频信号。,方案选择,方案三：采用直接数字频率合成器（DDS） ，可用硬件或软件实现。即用累加器按频率要求相对应的相位增量进行累加，再以累加相位值作为地址码，取存放于 ROM 中的波形数据，经 D/A 转换、滤波即得所需波形。方法简单，频率稳定度高，易于程控。,方案选择,方案四：采用单片机控制动态生成程序。该方法引入动态编程和同时钟技术，使用 8031 便可产生 50kHz 的正弦波。,实现DDS的技术方法,方法一：采用高性能 DDS单片电路，主 要有 Qualcomm、 AD、 Sciteg和 Stanford 等公司单片电路（monolithic）。,实现DDS的技术方法,方法二：采用低频正弦波 DDS单片电路。此方案的典型电路有 Micro Linear 公司的电源管理事业部推出低频正弦波DDS单片电路 ML2035 以其价格低廉、使用简单得到广泛应用。,实现DDS的技术方法,方法三：基于 FPGA/CPLD的DDS设计方法。利用FPGA/CPLD可以需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。,基于FPGA的DDS任意波形发生器,设计任务及要求 波形发生器技术指标 DDS通道的FPGA实现 系统软件设计,设计任务及要求,设计任务：基于DDS技术的任意波形发生器主要由微处理器控制模块、键盘与显示模块、DDS通道的FPGA实现模块、DA转换模块以及滤波器模块组成。同时片外扩展了4 KB程序存储器SRAM和6 KB数据存储器ROM，分别用于存储波形抽样数据和3种标准输出波形抽样数据。,设计任务及要求,要求： 1、进行相应的接口设计工作。接口包括：微处理器与扩展器件的接口；微处理器与FPGA模块的接口；微处理器与键盘、显示模块的接口；微处理器与输出幅值调节电路的接口。,设计任务及要求,要求： 2、DDS通道的FPGA实现模块。 在FPGA中实现相位累加器、地址总线控制器、数据总线控制器； 其中，相位累加器是整个DDS系统的关键。这里的相位累加器实质上是一个带反馈的29位加法器，它把输出数据作为反馈数据和由微处理器送来的频率控制字连续相加，从而产生有规律的29位相位地址码。 设计中采用流水线技术实现29位加法。当输入所需频率时，转换成频率控制字来驱动FPGA工作，从而产生所需波形频率。,设计任务及要求,要求： 3、DDS系统的工作频率与D/A转换器转换效率的匹配问题。 4、考虑信噪比问题。 5、PCB布线要求采取相应手段来减少外界干扰，降低输出信号的杂散性，撰写实验报告。,波形发生器主要技术指标,标准波输出：正弦波、方波、三角波、正锯齿波和梯形波。 任意波输出：14 096点（抽样）。 输出频率范围：0.000 15M Hz。 相对频率分辨率：10-3 Hz。 输出信号电压： 5Vp-p。 相位噪声：-90 dB/Hz。,系统结构框图,抽样数据原理,S R A M作为一个波形抽样数据的公共存储器，当要产生某种波形时输人相应的控制信息，系统将抽样数据从R O M里加载到S R A M里以供F PG A工作时寻址查表使用。,DDS通道的FPGA实现,DDS系统主要是由相位累加器、地址总线控制器、数据总线控制器与SRAM这四个模块组成。其中，SRAM模块外，其余3个模块都是在FPGA上实现。,相位累加器,相位累加器是整个D D S 系统运转的关键， 它设计的好坏直接影响到整个系统的功能。 它实质上是1 个带反馈的2 9 位加法器， 把输出数据作为另一路输人数据和从微处理器送来的频率控制字进行连续相加， 产生有规律的2 9位相位地址码， 设计中采用流水线技术实现2 9 位加法器。,频率控制字,设输出信号的频率为f ， 参考频率为fc , 频率控制字为K ， 则三者的关系为:,系统软件设计,软件系统采用“自顶向下”的设计方法 系统控制流程：系统初始化，用户控制输入。,软件平台设计,开发环境选择 NI（美国国家仪器公司）的 LabVIEW 8.0 LabWindows/CVI开发环境 MATLAB,任意波形信号的编辑,绘图法，用户可以自己画出想得到的波形的图形，但是用这种方法产生出来的信号精度不高，适用于对产生的信号要求不高的用户，