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基于FPGA的直接数字频率合成器的设计

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第一章 绪论

1.1 课题研究的意义

1.2 频率合成技术的发展

1.3 课题的可行性

1.4 课题的主要工作

第二章 DDS的工作原理及EDA工具

2.1 DDS的基本原理

2.2 DDS 的结构

2.3 频率合成器的主要技术指标

2.4 直接数字频率合成的特点

2.5 FPGA的设计流程

2.6 HDL语言简介

2.7 Quartus II软件简介及开发流程

2.8 Modelsim软件简介

第三章 DDS的频谱分析及仿真

3.1 理想DDS的输出频谱分析及仿真

3.2 实际的DDS输出频谱分析

第四章 基于VHDL语言的DDS设计与仿真

4.1 DDS的总体结构

4.2 基于流水线结构的相位累加器设计

4.3 ROM查找表的优化设计

4.4 DDS结构的改进

4.5 仿真分析

第五章 直接数字频率合成器的硬件仿真

5.1 ALTERA公司可编程逻辑器件简介

5.2 FLEX10K 的配置方式

5.3 DAC的设计

5.4 低通滤波器(LPF)的设计

5.5 硬件测试实验结果

第六章 结束语

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

附录

附录一 4级流水线结构实现32为累加器原理图

附录二 4级流水线结构实现32为累加器RTL级图

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摘要

直接数字频率合成器(DDS)是一种采用全数字化技术实现的频率合成器,它是以数字取样技术为基础,由相位累加器、ROM查找表、数模转换器和低通滤波器构成。直接数字频率合成技术具有频率切换速度快、频率分辨率高、相位噪声低、频切换时相位连续等优点,已成为现代频率合成技术中的姣姣者。DDS技术广泛应用于航空航天、雷达、仪器仪表、电子对抗、通信等领域。
  本文利用FPGA完成DDS的设计,DDS技术从相位概念出发,利用采样定理,直接对参考信号进行抽样,得到不同的相位,然后通过数字计算技术产生对应的电压幅度,最后滤波平滑输出所需频率。通过对DDS的频谱分析和仿真,可知实际DDS输出的信号主要受相位截断误差、ROM幅度量化误差和DAC的转换误差等因素的影响。对32位累加器的结构进行了改进,采用流水线结构,可以提高运算速度。在分析传统 DDS结构的缺陷的基础上,提出了 DDS的改进结构。采用循环累加器结构,以循环相位累加器的溢出信号作为其后地址信号发生器的时钟信号,而不用累加器的高位输出作为地址。这样可以从源头上避免因舍掉余值而引起的频率误差。引入了地址信号发生器,通过对循环累加器的溢出脉冲信号计数来实现ROM查找表的寻址。所以ROM数据表中只需要8个采样点的波形数据,比其他所有算法对ROM表数据的压缩效果都好,且不丢失信号信息,算法简单。只要改变ROM查找表中的数据,就可以方便的产生各种周期波形。并设计了相应的外围电路,DAC转换电路和低通滤波器。
  用Matlab软件仿真分析了DDS的频谱,用VHDL语言实现了DDS系统各个模块的功能,并在软件 quartus II上进行了仿真。电路程序设计采用了“自顶向下”的设计方法,通过模块化设计,使设计流程简单,突出了各模块的功能。通过硬件仿真验证了设计方案的正确,确保了系统的可靠性。将仿真通过的VHDL电路程序,下载到Altera公司的PLD芯片上进行硬件仿真和调试。最后经测试,达到了设计要求。

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