论文总字数：18963字

目 录

第1章绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 选题目的和意义 1

1.3 国内研究现状 1

1.4 论文的主要工作与章节安排 2

1.5 本章小结 2

第2章DDS波形发生器原理 3

2.1 DDS原理 3

2.2 DDS多波形信号发生器原理 3

2.3 DDS信号发生器的优缺点 5

2.3.1 DDS的优点 5

2.3.2 DDS的缺点 5

2.4 本章小结 5

第3章 硬软件电路设计 6

3.1 系统设计要求 6

3.2 方案对比选择 6

3.3 DDS设计实现 7

3.3.1 相位累加器模块 7

3.3.2 相移模块 7

3.3.3 波形存储模块 8

3.3.4 D/A转换模块 9

3.3.5 低通滤波器模块 9

3.3.6 pll模块 10

3.3.7 显示与控制模块 11

3.3.8 蓝牙通信模块 12

3.3.9 软核模块 12

3.3.10 网页波形监测 13

3.3.11 上位机模块 14

3.4 软硬件平台介绍 15

3.5 本章小结 16

第4章 软件仿真和分析 17

4.1 正弦波仿真 17

4.2 三角波仿真 18

4.3 方波仿真。 19

4.4本章小结 19

第5章 实物测试与误差分析 20

5.1 实物测试 20

5.1.1 输出频率精度测试 20

5.1.2 方波占空比测试 24

5.1.3不同波形测试 27

5.2 误差分析 28

5.3 本章小结 29

第6章 总结 30

参考文献 31

附录 32

致谢 33

基于FPGA的DDS多波形信号发生器

张松

, china

Abstract: With the rapid economic growth and the rapid development of science and technology, multi-waveform signal generators have become one of the most widely used electronic measuring instruments in the field of modern testing. Multi-waveform signal generators with high precision and adjustable frequency duty cycle have been developed. The more important it is. The direct digital frequency synthesizer (DDS) has features such as high frequency resolution, fast frequency conversion speed, and continuous phase change, which is superior to conventional frequency synthesis technology and DDS application technology is becoming more and more mature. Field programmable gate array (FPGA) is widely used in the design of digital integrated circuits due to its flexible design, high speed, and good versatility. This paper combines DDS technology with FPGA to design a multi-waveform signal generator whose main functions can generate sine wave, triangle wave, square wave, sawtooth wave and other waveforms. The frequency, phase, duty cycle, and amplitude can be adjusted. Waveform information can be sent to the host computer module and the browser can access the web page to achieve waveform monitoring. The signal generator is mainly composed of liquid crystal display, soft core module, DDS data processing module, D/A conversion module, low-pass filter, and upper computer. After testing, the signal generator can work stably and operate flexibly

Key words: FPGA, DDS, signal generator.

第1章绪论

1.1 课题背景

随着经济的高速增长以及科学技术的快速发展，多波形信号发生器作为现代信息社会的基石，广泛应用于实际工业、学习、科研、雷达、卫星、通信等领域中，因此高精度、频率占空比可调以及输出波形稳定不失真的多波形信号发生器越来越重要。直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis 即DDS）利用抽样量化的原理，将模拟信号处理转化为数字信号处理，数字信号合成的角度来直接合成所需波形。具有高频率分辨率、频率转化所需时间短、相位可以连续变化等特点，比传统的频率合成技术性能优越的多且直接频率合成技术（DDS）应用技术越来越成熟。而现场可编程门阵列（FPGA）设计简单方便灵活，开发周期短。电路稳定可靠，广泛应用于数字集成电路的设计，将FPGA与直接频率合成技术相结合，通过现场可编程门阵列（FPGA）可以快速地完成复杂的数字电路的设计实现，可以有效的实现直接数字频率合成，利用AD9708高速DA转换芯片以及七阶巴特沃斯低通滤波器实现模拟信号的输出。而传统的波形发生器采用DDS芯片、小规模集成电路、分立元件等方式，成本较高，设计时间长，频率分辨率低，电路不稳定，已经越来越不能满足现代电子社会的需求，开始逐步退出电子行业的舞台。

选题目的和意义

信号发生器是信息社会的基石，作为常用的电子设备，广泛应用于教学实验、电子测量、电子通讯，载波调制等领域，在雷达、实验仪器，卫星通讯，水下通讯、电磁对抗以及医疗等都需要高精度，高稳定性，能产生任意波形的信号发生器，因此研制高精度，高稳定性控制操作简单的信号发生器尤为重要。目前信号发生器设计有DDS芯片、分立元件、小规模集成电路等方式，本文采用数字频率合成技术（DDS），将模拟信号数字化，利用数字信号处理手段，将电路硬件电路设计转化为软件设计，且降低成本、操作简单化。

1.3 国内研究现状

自信号发生器诞生，经历了几十年的发展，由于日常测量、雷达、通信、医疗等领域对信号发生器的需求，不断推动者信号发生器技术的发展，更新，开始简单的正弦波等几种波形不断发展到选择的任意波形信号发生器，输出频率从一开始的几MHz到现在的射频频率段。技术逐渐成熟，将信号发生器与数字示波器相结合，将示波器测得的波形信息传给信号发生器，信号发生器便能够产生一样的波形。目前信号发生器的技术有：小规模集成电路、DDS芯片、DDS合成技术、存储器等。任意波形的信号发生器的波形可以由波形函数表达式、其他波形发生器生成的波形数据、软件、数字示波器波形数输出以及信号发生器内置的波形编辑器等多种方式生成。现在顶尖的多波形信号发生器能够产生各种复杂的波形型号，提供给雷达、卫星、通信等用于飞行器的雷达信息命令的仿真、卫星音调的仿真以及驱动微机电系统等。研发高性能信号发生器的国外公司有安捷伦（Agilent Technologies Inc）、美国国家仪器有限公司、罗德与施瓦茨公司等，国内有台湾百科精密仪器股份有限公司、南京盛普仪器有限公司等企业，然而由于国内研发起步晚，信号发生器的主要领先技术仍掌握在国外企业手中，我国信号发生器技术与国外相比还有一定距离，还没有形成专门的信号发生器产业。因此研发设计信号发生器极为重要。

1.4 论文的主要工作与章节安排

本文主要通过分析直接数字频率合成器（DDS）的原理以及其优缺点，从而得到设计DDS信号发生器的方案以及选择开发平台等一系列设计来完成DDS信号发生器的研究。第二章着重介绍了DDS的基本原理以及其优缺点，为本次设计打下理论基础。第三章简单介绍本次设计所采用的软硬件开发平台。第四章是本次毕业设计的重点，主要包含了不同方案对比、设计的具体思路以及系统的具体实现方法和系统设计流程情况。第五章是要对DDS原理用ModelSim仿真，利用仿真结果具体分析。第六章则是对本次设计的最终成品进行调试验证，并分析其误差产生的原因以及减小误差的方法。

1.5 本章小结

本章介绍了本次毕业设计的选题目的和意义、课题背景以及国内外研究现状，讨论了DDS信号发生器研究的实际意义，确定了本次毕业设计的可行性。简述了本文的主要工作和章节安排。

第2章DDS波形发生器原理

2.1 DDS原理

由于对于不同信号波形，DDS原理基本一致，于是以下都以正弦信号波为例

对于正弦波信号而言，用公式①进行表示：

S = Asinθ = Asin( 2πft ) ①

公式①中，S是正弦波信号；A为正弦信号的幅度，f是正弦波的频率。需要注意的是，公式①中时间t是连续的。为了实现模拟信号数字化，需要对其进行离散化处理，则需要按照一定频率对其抽样，使其成为数字信号。

由公式（1），正弦信号的相位θ：

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