波形发生器毕业设计论文

绪论

波形发生器是一种广泛应用于电子电路，自动控制和科学实验等领域的信号源。比如电参量的测量、雷达、通信、电子对抗与电子系统、宇航和严控遥测技术等等，从某种意义上说高品质信号源更是实现高性能指标的关键，很多现代电子设备和系统的功能都直接依赖于所用信号源的性能，因此，高品质信号源被人们喻为众多电子系统的“心脏”。随着通信、雷达的不断发展，多信号源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数以及信号波形的形状提出越来越多的要求。为了提高信号源输出频率稳定度，可以采用晶体振荡器等方法来解决。为了满足频率个数多的要求，可以采用频率合成技术，即通过对频率进行加减乘除运算，可从一个高稳定度和高精确度的标准频率源，产生大量的具有同一稳定度和精确度的不同频率。

运用DDS技术是设计波形发生器的一种通用手段，DDS不仅可以产生正弦波同时也可以产生任意波，这是其他频率合成方式所不具有的特点，任意波在各个领域有着广泛的应用。通过DDS这种方法产生任意波是一种简单，低成本的方法，通过增加波形点数可以使输出达到很高的精度，这都是其他方法所无法比拟的。

自80年代以来各国都在研制DDS产品，并广泛应用于各个领域。其中以AD公司的产品比较有代表性。如AD7008、AD9850、AD9851、AD9852、AD9858等。其系统时钟频率从30MHz到300MHz不等，其中的AD9858系统时钟更是达到了lGHz。这些芯片还具有调制功能。如AD7008可以产生正交调制信号，而AD9852也可以产生FSK、PSK、线性调频以及幅度调制的信号。这些芯片集成度高，内部都集成了D/A转换器，精度最高可达12bit。同时都采用了一些优化设计来提高性能。如这些芯片中大多采用了流水技术，通过流水技术的使用，提高了相位累加器的工作频率，从而使得DDS芯片的输出频率可以进一步提高。通过运用流水技术在保证相位累加器工作频率的前提下，相位累加器的字长可以设计得更长，如AD9852的相位累加器达到了48位。而不是之前型号的32位，这样输出信号的频率分辨率大大提高了。

运用DDS技术生产的DDS任意波型信号发生器是较新的一类信号源，并且已经广泛投入使用。它不仅能产生传统函数信号发生器能产生的正弦波、方波、

三角波、锯齿波，还可以产生任意编辑的波形。由于DDS的自身特点，还可以很容易的产生一些数字调制信号，如FSK、PSK等。一些高端的信号发生器甚至可以产生通讯信号。同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提高。如HP公司的HP33120可以产生lOmHz-15MHz的正弦波和方波，同时还可以产生lOmHz-5MHz的任意波形，还具备调制功能，可以产生AM、FM、FSK、猝发、扫频等信号。HP公司的HP33250可以产生1uHz-80MHz的正弦波和方波，产生1uHz到25MHz的任意波形。BK PRECISION公司的4070A型函数级任意波形发生器产生的正弦波和方波输出频率DC-21．5MHz，频率分辨率10mHZ。同时还具有AM、FM、PM、SSB、BPSK、FSK、猝发、DTMFGeneration和DTMFDetection的功能。并且具有了和PC机良好的接口，可以通过WINDOWS 界面的程序进行任意波形的编辑。

除了在仪器中的应用外，DDS在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。通过DDS可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如：频移键控(FSK)、二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK)等。DDS可以产生两路相位严格正交的信号，在正交调制和解调中的到广泛应用，是一种很好的本振源。

此外随着集成电路制造工艺的逐步提高，通过采用先进的工艺和低功耗的设计，数字集成电路的工作速度已经有了很大的提高。现在最新的DDS芯片工作频率已经可以达到1GHz，这样就可以产生频带比较宽的输出信号了。

为了进一步提高DDS的输出频率，产生了很多DDS与其他技术结合的频率合成方法。如当输出信号是高频窄带信号的时候可以用混频滤波的方法扩展DDS 的输出，也可以利用DDS的频谱特性来产生高频信号，如利用较高的镜像频率输出。可见，基于DDS技术的波形发生器能实现高稳定度、高精度、高分辨率的波形输出，具有频率切换速度快、体积小、价格便宜的特点,是一种很有发展前途的信号源。所以本设计采用此方案。

近年来，随着可编程逻辑器件（FPGA、CPLD等）的广泛应用，功能的不断强大，以及快速算法的不断出现，任意波形发生器也向自动化、数字化、高精度化方向发展。早期的DDS系统使用分离的数字器件搭接,随着整个电路系统运行频率的提高,采用分离器件构建的DDS电路有其自身无法克服的缺点,主要表现在电磁兼容和系统工作频率上。后来出现的专用DDS芯片极大的推动了DDS

技术的发展，但专用DDS芯片价格昂贵，且无法实现任意波形输出，而CPLD 及FPGA的发展为实现DDS提供了更好的技术手段。

FPGA(Field Programmable Gate Array)是目前广泛采用的一种可编程器件,它的应用不仅使数字电路系统的设计非常方便,并且还大大缩短了系统研制的周期,缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的品种，它的时钟频率可达到几百兆赫兹,加上它的灵活性和高可靠性,非常适合用于实现波形发生器的数字电路部分。

Summary

Waveform generator is a widely used in electronic circuits, automatic control and scientific experiments in areas such as the signal source. For example, the measurement of electrical parameters, radar, communications, electronic warfare and electronic systems, aerospace and strictly controlling telemetry, etc., in a sense of high-quality signal source is the key to the achievement of performance indicators, The features of many modern electronic devices and systems are directly dependent on the signal source that used in the performance , Therefore, high-quality signal source was described as a large number of electronic systems "heart."

With communication, the continuous development of radar, multi-signal sources, frequency stability, spectral purity, frequency range and the number of output frequencies, as well as the shape of the signal waveform to a growing number of requests. In order to improve the signal source output frequency stability, such as crystal oscillator can be used to resolve this issue. In order to meet the requirements of multi-frequency number, frequency synthesis technology can be used, that is, addition and subtraction through multiplication and division of the frequency of operation can be seen from a high stability and high accuracy of the standard frequency source, resulting in a large number of have the same stability and accuracy of different frequencies.

The use of DDS technology is the design of a common waveform generator means, DDS not only can produce sine wave at the same time can generate arbitrary wave, this is the manner in which the other frequency synthesizer does not have the characteristics of any wave in all fields have a wide range of applications. Through the DDS arbitrary wave of such methods is a simple, low-cost way to increase the output waveform points can be achieving a high degree of accuracy, by other means this is second to none.

Since the 80's from all countries in the development of DDS products, and are widely used in various fields. AD in which the company's products more representative. Such as the AD7008, AD9850, AD9851, AD9852, AD9858 and so on.

The system clock frequency ranging from 30MHz to 300MHz, in which the system clock of the AD9858 is reached lGHz. The chips also have the modem function. Such as the AD7008 quadrature modulation signal can be generated, while the AD9852 can also be generated FSK, PSK, amplitude modulation and linear frequency modulation signal. These highly integrated chips, are integrated within the D / A converter, the accuracy of up to 12bit. At the same time have adopted a number of optimization designed to improve performance. because these chips are mostly used in water technology, water technology through the use of the phase accumulator to increase the operating frequency, allowing the output frequency of DDS chip can be further improved. Water through the use of technology in the phase accumulator to ensure that the premise of the operating frequency, the phase accumulator word length can be designed for longer, such as the AD9852 has reached the phase accumulator 48. Models rather than 32 before, so that the output signal of the frequency resolution significantly improved.

The use of DDS technology to produce the DDS arbitrary waveform signal generator is a relatively new type of signal source, and has been widely put into use. It is not only capable of producing the traditional function of the signal generator can produce sine, square, triangle wave, sawtooth wave, but also can generate arbitrary waveform editor. Due to the characteristics of the DDS can also be very easy to produce some digital modulation signals, such as FSK, PSK, etc.. Some high-end signal generator can even have a communication signal. At the same time, the frequency resolution of the output waveform, frequency and other indicators of accuracy are greatly improved. HP33120 companies such as HP can generate the lOmHz-15MHz sine and square wave, but also can produce lOmHz-5MHz of arbitrary waveform, but also have the modulation function, can be AM, FM, FSK, Burst, Sweep signal. HP's HP33250 can have the 1uHz-80MHz sine and square wave, resulting in the 1uHz to 25MHz arbitrary waveform. BK PRECISION company level 4070A Arbitrary Waveform function generator sine wave and square wave output frequency DC-21.5MHz, frequency resolution 10mHZ. At the same time, also has AM, FM, PM, SSB, BPSK, FSK, Burst, DTMFGeneration and DTMFDetection

function. And have a good machine and the PC interface, the interface can process WINDOWS arbitrary waveform editor.

In addition to the application of instruments, DDS in communications systems and radar systems are also very important purposes. DDS can be more easily adopted by some of the commonly used modulation communication signal, such as: frequency shift keying (FSK), binary phase shift keying (BPSK) and Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) and so on. DDS can generate two quadrature phase signal strictly in the quadrature modulator and demodulator in a wide range of applications, this is a good local oscillator.

In addition with the integrated circuit manufacturing process of gradual improvement through the use of advanced technology and low-power design, digital integrated circuits have a speed greatly improved. Now, its latest operating frequency of the DDS chip can reach 1GHz, so that could have a relatively wide frequency band of the output signal.

To further enhance the DDS output frequency, resulting in a lot of DDS technology and other methods of frequency synthesis. Such as when the output signal is a high-frequency narrow-band signal can be used when the method of filtering expansion mixer output DDS, the DDS can also be used to generate high-frequency spectral characteristics of signals, such as the use of high frequency output of the mirror. Can be seen, based on the DDS waveform generator technology to achieve high stability, high accuracy, high-resolution output of the waveform, with frequency switching speed, small size, the characteristics of prices is a very promising signal source. Therefore, the design of this program.

In recent years, with programmable logic device (FPGA, CPLD, etc.) a wide range of applications, functions from strength to strength, as well as the continual emergence of fast algorithm, arbitrary waveform generator to the automatic, digital, high-precision of direction. DDS system, the use of early separation of overlapping digital devices, with an operating frequency of the entire circuit system improvement of the separation device used to build the DDS circuit has its own can not overcome the shortcomings, mainly in the electromagnetic compatibility and

system frequency. Later, there dedicated DDS chip greatly promoted the development of DDS technology, but dedicated DDS chip is expensive, and can not achieve the arbitrary waveform output, and the CPLD and FPGA development for the realization of DDS technology to provide a better means.

FPGA (Field Programmable Gate Array) is widely used as a programmable device, which not only makes the application of digital circuit design is very convenient, but also greatly shorten the system development cycle, reducing the size of the digital circuit system and varieties used in the chip, its clock frequency can reach several hundreds Hz, together with its flexibility and high reliability, very suitable for the realization of the digital waveform generator circuit part.

1 波形发生器的实现方式

波形发生器在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为波形发生器。波形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）、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。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、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。

波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、可变时钟计数寻址和直接数字频率合成等多种方式。

1.1程序控制输出方式

计算机根据波形的函数表达式，计算出一系列波形数据瞬时值，并定时地逐个传送给D／A转换器，合成出所需要的波形。这种方式具有电路简单、实现方便等特点。但数据输出定时不准确，会影响信号的频率和相位；波形数据输出依靠指令的执行来完成，当需要同时输出多个信号时，相邻信号通道的输出存在时间差；受计算机运行速度的限制，输出信号的频率较低。

1.2可变时钟计数器寻址方式

采用可变时钟计数器寻址波形存储器表，该方法是一种传统型任意波形发生器。原理框图如图1-1所示。

图1-1 可变时钟计数器寻址的波形发生器

图中的计数器实际上是一个地址发生器,计数器的触发时钟脉冲由一个频率可以控制的频率发生器产生,通过改变频率发生器的频率设置值,实现调整计数器生的地址变化速率,从而改变输出的任意波形的频率。计数器产生的地址码提供出存储器中波形数据所需要的地址信号,波形数据被依次读出后送至高速Ｄ/Ａ转换器,将之转变为模拟量,经低通滤波器后输出所需的波形。

可见传统的任意波形发生器采用可变时钟和计数器寻址波形存储器表,此方法的优点是产生的地址连续，输出波形质量高。但其取样时频率较高,对硬件的要求也较高,而且常需多级分频或采用高性能的锁相环,其中分频式的任意波形发生器频率分辨率低,锁相式的任意波形发生器频率切换速度慢。

1.3 直接数字频率合成方式

DDS(direct digital synthesizer)是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储了将要输出波形的数据，在控制电路的协调控制下，以一定的速率，周而复始地将波形数据依次发送给D／A转换器转换成相应的模拟信号。由于用硬件电路取代了计算机的控制，信号输出稳定度高。如需更新输出信号，不必改动任何线路和元器件，只需改写存储器中的波形数据即可。更主要的是，可以将微处理器从信号输出的负担中解脱出来．如图1-2为其工作流程图。

图1-2 直接数字合成方式的波形发生器

2 直接数字频率合成器的原理及性能

2.1频率合成器简介

2.1.1频率合成技术概述

所谓频率合成法就是指从一个高稳定和准确的参考频率源，经过技术处理，生成大量离散的频率输出。频率合成技术是产生频率源的一种现代化手段，已广泛应用于通信、导航、电子侦察、干扰与反干扰、遥控遥测及现代化仪器仪表中。利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为频率合成器。频率合成器既要产生所需要的频率,又要获得纯净的信号。从频率合成所采用的技术来看,频率合成的方法大致可分为直接合成和间接合成以及直接数字合成三种。

直接合成（DirectFrequencySynthesis，简称DS）是通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。直接频率合成方法具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好等优点，但是由于大量的倍频，混频等电路，就要有不少滤波电路，使合成器的设备结构十分复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。此方法只能产生标准波形，不能产生任意波形。

间接合成（IndirectFrequencySynthesis，简称IS）又称锁相频率合成PhaseLockedLoop Frequency Synthesis，简称PLLFS），是利用锁相环路的窄带跟踪特性来得到不同的频率。锁相频率合成器能提供长期频率稳定度与短期频率稳定度都比较高且杂波少的信号输出。目前在各种无线电台中使用的频率合成器普遍采用可变数字式锁相环频率合成器，通过CPU控制可获得不同的频点。数字式频率合成器能提供长期频率稳定度与短期频率稳定度都比较高且杂波少的信号输出，特点是波道数目多、体积小、易于数字化和集成化。但锁相频率合成器频率转换时间较长，且合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位较难控制。数字锁相环构成的数字式频率合成器是目前通信、仪表、雷达等电子技术中广泛应用的一种频率合成技术。锁相环式频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。除此之外，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位都很

难控制。同样，此方法不能产生任意波形。

直接数字式频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis，简称DDS或DDFS）是近年来发展起来的新的频率合成技术。它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，标志着第三代频率合成技术的出现。此方法是用随机读写存储器RAM存储一个波形周期的量化数据，按照不同频率要求以频率控制字为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经D/A转换和滤波可得所需波形输出。通过改变频率控制字可以很方便地改变输出频率，通过更新存储器的波形数据可以得到不同的波形输出，即可实现任意波形输出。基于ＤＤＳ技术的频率合成器有很高的频率分辨率，可方便地实现频率、相位调制功能,转换速度快,且输出波形的相位连续。已广泛用于接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等，特别是跳频通信系统。

2.1.2频率合成器主要指标

信号源的一个重要指标就是能输出频率准确可调的所需信号。一般传统的信号发生器采用谐振法，即用具有频率选择性的正反馈回路来产生正弦振荡，获得所需频率信号，但难以产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为频率合成器。频率合成器既要产生所需要的频率,又要获得纯净的信号。频率合成器的主要指标如下：

1.输出频率的范围：指的是输出的最小频率和最大频率之间的变化范围。

2.频率稳定度：指的是输出频率在一定时间间隔内和标准频率偏差的数值，它分长期、短期和瞬时稳定度三种。

3.频率分辨率：指的是输出频率的最小间隔。

4.频率转换时间：指的是输出由一种频率转换成另一种频率的时间。

5.频谱纯度：频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量，杂散分量为谐波分量和非谐波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性失真产生，相位噪声是衡量输出信号相位抖动大小的参数。

6.调制性能：指的是频率合成器是否具有调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)

等功能。

2.2 DDS的基本原理及性能特点

直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis,简称DDS)技术是频率合成领域

中的一项新技术。DDS 的设计思想完全是基于数值计算信号波形的抽样值来实现频率合成的。

DDS 的工作原理是基于相位和幅度的对应关系,通过改变频率控制字来改变 相位累加器的累加速度,然后在固定时钟的控制下取样,取样得到的相位值通过相位幅度转换得到与相位值对应的幅度序列,幅度序列通过数模转换得到模拟形式量化的正弦波输出。

图2-1是DDS 的结构原理。

图2-1 DDS 的结构原理

参考时钟源f c 频

率

控制

字

K

其中相位累加器字长为N，DDS控制时钟频率为fc，频率控制字为K。DDS 直接从“相位”的概念出发进行频率合成。相位累加器由加法器与累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fc，加法器将频率控制字K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脉冲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脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。

DDS的核心就是相位累加器，利用它来产生信号递增的相位信息，整个DDS 系统在统一的参考时钟下工作，每个时钟周期相位累加器作加法运算一次。加法运算的步进越大，相应合成的相位值变化越快，输出信号的频率也就越高。对于幅值归一化的正弦波信号的瞬时幅值完全由瞬时相位来决定，因为ω=dφ(t) /dt,所以相位变化越快，信号的频率越高。ROM表完成将累加器相位信息转换为幅值信息的功能。再由D/A完成数字抽样信号到连续时域信号的转换，D/A输出的台阶信号再经低通滤波器平滑以得到精确的连续正弦信号波形。

相位累加器利用Nbit二进制加法器的模溢出特性来模拟理想正弦波的2π相位周期。相位累加器输出和ROM输出可分别理解为理想正弦波相位信号和时域波形的时钟抽样。

用相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器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。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。

图2-2是DDS各点输出信号

相位累加器字长为N，DDS控制时钟频率为f c，时钟周期为T c=1/f c，频率控制字为K。系统工作时，累加器的单个时钟周期的增量值为Δψ=K*2π/2N，相应角频率为ω=Δψ/Δt=Δψ/T c =2π*K *f c/2N，所以DDS的输出频率为f DDS =ω/2π= K *f c/2N，DDS输出的频率步进间隔Δf DDS= f c/2N。因DDS输出信号是对正弦波的抽样合成，所以应满足Niqust定理的要求，即f DDS≤f c/2，也就是要求K≤2N-1，根据频谱性能的要求，一般取f DDS≤0.4f c。

当DDS相位累加器采用32位字长，时钟频率为30MHz时，它的输出频率间隔可达到Δf DDS =f c/2N =50*106≈0.01Hz=10mHz。可见，DDS的基于累加器相位控制方式给它带来了微步进的优势。

DDS频率合成器具有以下优点：(1)频率分辨率高，输出频点多，可达2N 个频点(假设DDS相位累加器的字长是N)；(2)频率切换速度快，可达us量级；

(3)频率切换时相位连续；(4)可以输出宽带正交信号；(5)输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用：(6)可以产生任意波形：(7)全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。

但DDS也有比较明显的缺点：(1)输出信号的杂散比较大，(2)输出信号的带宽受到限制。DDS输出杂散比较大这是由于信号合成过程中的相位截断误差、D ／A转换器的截断误差和D／A转换器的非线性造成的。当然随着技术的发展这些问题正在逐步的到解决。如通过增长波形ROM的长度以减小相位截断误差；通过增加波形ROM的字长和D／A转换器的精度以减小D／A量化误差等。在比较新的DDS芯片中普遍都采用了12bit的D／A转换器。当然一味靠增加波形ROM的深度和字长的方法来减小杂散对性能的提高总是有限的。已有研究在对DDS输出的频谱做了大量的分析以后，总结出了误差的频域分布规律建立了误差模型，在分析DDS频谱特性的基础上又提出了一些降低杂散功率的方法：可

以通过采样的方法降低带内误差功率，可以用随机抖动法提高无杂散动态范围，在D／A转换器的低位上加扰打破DDS输出的周期性，从而把周期性的杂散分量打散使之均匀化。

2.3专用DDS芯片电路

DDS专用芯片电路广泛的应用于各个领域。其中以AD公司的产品比较有代表性。如AD7008、AD9850、AD985l、AD9852、AD9858等。其系统时钟频率从30MHz到300MHz不等，其中的AD9858系统时钟更是达到了lGHz。这些芯片还具有调制功能。如AD7008可以产生正交调制信号，而AD9852也可以产生FSK、PSK、线性调频以及幅度调制的信号。这些芯片集成度高，内部都集成了D／A转换器，精度最高可达12bit。同时都采用了一些优化设计来提高性能。如这些芯片中大多采用了流水技术，通过流水技术的使用，提高了相位累加器的工作频率，从而使得DDS芯片的输出频率可以进一步提高。通过运用流水技术在保证相位累加器工作频率的前提下，相位累加器的字长可以设计得更长，如AD9852的相位累加器达到了48位，大大提高了输出信号的频率分辨率。由于DDS的周期性，输出杂散频谱往往表现为离散谱线，而这些芯片大多采用了随机抖动技术使离散谱线均匀化，从而提高输出频谱的无杂散动态范围。

2.3.1 AD9850的结构及功能

AD9850是AD公司采用先进的DDS技术，1996年推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。AD9850接口控制简单，可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。32位频率控制字，在125MHz 时钟下，输出频率分辨率达0.029Hz。先进的CMOS工艺使AD9850不仅性能指标一流，而且功耗少，在3.3Ｖ供电时，功耗仅为155ｍＷ。

3 基于FPGA的波形发生器设计

3.1现场可编程门阵列(FPGA)简介

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元数组LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB （InpuOutput Block）和内部联机（Interconnect）三个部分。

FPGA的基本特点主要有：(1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。(2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。(3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。(4）FPGA是ASIC 电路中设计周期最短开发费用最低、风险最小的器件之一。(5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

因此，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。在FPGA实际应用中，设计的保密和设计的可升级是十分重要的、用单片机来配置FPGA可以很好地解决上述问题。用单片机配置FPGA器件时，关键在于产生合适的时序。单片机可选用常用的如MCS51系列、MCS9系列、A VR系列等均可。

ALTERA FLEX10K系列FPGA,规模从一万门到十万门,可提供720～5392个触发器及6144～24576位RAM,提供30ns、40ns及50ns等几个速率等级,可适应18～105MHz的信号处理速率。ALTERA FLEX10K系列FPGA主要由输入输出单元IOE、掩埋数组EAB、逻辑数组LAB及内部联机组成。EAB是在输入和输出埠加有寄存器的RAM块,其容量可灵活变化。所以,EAB不仅可以用于内存,还可以事先写入查表值来用它构成如乘法器、纠错逻辑等电路。当用于RAM 时,EAB可配制成多种形式的字宽和容量。Altera公司FPGA器件Cyclone-II列

的组成主要包括：(1)逻辑数组，由多个逻辑数组块（Logic Array Blocks，LABs）排列而成，用于实现大部分逻辑功能；（2）在芯片四周分布着可编程的输入输出单元（Input/OutputElements，IOEs），提供封装引脚与内部逻辑之间的连接接口；（3）丰富的多层互连结构的可编程联机；（4）片上的随机存取块状RAM；（5）锁相环（PLL），用于时钟的锁定与同步、能够实现时钟的倍频和分频；（6）高速的硬件乘法器，有助于实现高性能的DSP功能。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM 即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用灵活。

FPGA的编程技术。目前有三种基本的FPGA编程技术：SRAM、反熔丝、Flash。其中，SRAM是迄今为止应用范围最广的架构，主要因为它速度快且具有可重编程能力，而反熔丝FPGA只具有一次可编程（One Time Programmable，OTP）能力。基于Flash的FPGA是FPGA领域比较新的技术，也能提供可重编程功能。基于SRAM的FPGA器件经常带来一些其它的成本，包括：启动PROMS 支持安全和保密应用的备用电池等等。基于Flash和反熔丝的FPGA没有这些隐含成本，因此可保证较低的总系统成本。

3.2 MAX+PlusⅡ开发软件和VHDL硬件描述语言

3.2.1 MAX+PlusⅡ开发软件简介

MAX+PlusⅡ开发软件是美国Altera公司自行设计的第三代可编程逻辑器件的EDA开发工具，它是一种与器件结构无关的集成设计环境，提供了灵活和高效的界面，允许设计人员选择各种设计输入方法和工具，能够支持Altera 公司的MAX、Classic、FLEX及ACEX系列的PLD器件。MAX+PlusⅡ开发软

件丰富的图形界面和完整的、可即使访问的在线帮助文档，使设计人员能够轻松愉快的学习和掌握使用方法，方便地实现设计目的。

MAX+PlusⅡ开发软件支持多种设计文件的输入，所能接受的设计文件包括原理图设计文件，硬件描述语言设计文件，波形图设计文件，以及第三方EDA 工具提供的EDIF文件等。设计人员可以采用原理图、硬件描述语言和波形图等文件，来描述用户的设计意图，实现电子系统的设计。以下介绍三种输入方法：

(1)原理图输入:这是一种最直观的输入方法，是通过绘制原理图来描述用户所设计的系统。这种方法看起来非常直观,易于电路的调整及观察。

(2)硬件描述语言输入：这是通过MAX+PlusⅡ开发软件中的文本编辑器进行的，它支持AHDL、VHDL、和Verilog HDL等多种硬件描述语言。

(3)波形图输入：这是在MAX+PlusⅡ开发软件提供的波形图编辑器中进行的，设计人员通过编辑输入和输出节点的波形来创建一个波形图设计文件，用波形图来描述所设计系统的逻辑功能。

3.2.2 VHDL硬件描述语言

VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware

Description Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。是电子系统硬件行为描述、结构描述、数据流描述的语言，目前利用硬件描述语言可以进行数字电子系统的设计。

VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本特点。

以硬件描述语言表达设计意图、FPGA作为硬件载体、计算机为设计开发工具、EDA软件作为开发环境的现代电子设计方法日趋成熟。

VHDL语言的程序结构。一个VHDL程序包含实体（Entity）、结构体（Architecture）、配置（Configuration）、包集合（Package）、库（Library）5个部分。

其实实体是一个VHDL程序的基本单元，由实体说明和结构体两部分组成。实体说明用于描述设计系统的外部接口信号，结构体用于描述系统的行为、系统数据的流程或者系统组织结构形式。配置用于从库中选取所需单元来组成系统设计的不同规格的不同版本，使被设计系统的功能发生变化。包集合存放各设计模块能共享的数据类型、常数、子程序等。

库用于存放已编译的实体、结构体、包集合、配置。库有两种，一种是用户自行生成的IP库，有些集成电路设计中心开发了大量的工程软件，有不少好的设计范例，可以重复引用，所以用户自行建库的专业EDA公司的重要任务之一。另一类是PLD，ASIC芯片制造商提供的库。比如常用的74系列芯片，RAM，ROM控制器，Counter计数器等标准模块。用户可以直接引用，而不必从头编写。

图3-1 VHDL程序设计构成

VHDL程序设计构成如图3-1所示。设计实体是VHDL程序的基本单元，是最重要的电子系统抽象。它可以代表整个电子系统、一块电路板或一枚芯片，简单的可以是一个与门电路,复杂的可以是一个微处理器或一个数字电子系统。一个实体由实体说明和结构体说明两部分组成。

VHDL程序由两部分组成：第一部分为实体说明，第二部分为结构体。VHDL 程序结构更抽象、更基本、更简练的表示。设计实体由关键字Entity来标识，结构由Architecture来标识。一个电路系统的程序设计只有一个实体，可以有多个结构体。系统设计中的实体提供该设计系统的公共信息，结构体定义各个模块内

的操作特性。一个设计实体至少包含一个结构体或多个结构体，构成一个电子系统的设计模型。

3.3波形发生器的FPGA实现

早期的DDS系统使用分离的数字器件搭接,随着整个电路系统运行频率的升高,采用分离器件构建的DDS电路有其自身无法克服的缺点,主要表现在电磁兼容和系统工作频率上。后来出现的专用DDS芯片极大的推动了DDS技术的发展，但专用DDS芯片价格昂贵，且无法实现任意波形输出，近来,CPLD及FPGA的发展为实现DDS提供了更好的技术手段。

FPGA的应用不仅使得数字电路系统的设计非常方便,并且还大大缩短了系统研制的周期,缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的品种。而且它的时钟频率已可达到几百兆赫兹,加上它的灵活性和高可靠性,非常适合用于实现波形发生器的数字电路部分。

用FPGA设计DDS电路比采用专用DDS芯片更为灵活。因为，只要改变FPGA中的ROM数据，DDS就可以产生任意波形，因而具有相当大的灵活性。相比之下，FPGA的功能完全取决于设计需求，可以复杂也可以简单，而且FPGA 芯片还支持在系统现场升级，虽然在精度和速度上略有不足，但也能基本满足绝大多数系统的使用要求。另外，将DDS设计嵌入到FPGA芯片所构成的系统中，其系统成本并不会增加多少，而购买专用芯片的价格则是前者的很多倍。因此，采用FPGA来设计DDS系统具有很高的性价比。

用FPGA可以非常方便的实现DDS系统的数字电路环节,且可现场编程进行电路的修改。在DDS系统中，FPGA的主要完成：（1）保存频率字；（2）保存相位字；（3）构成相位累加器，产生波形RAM的地址；（4）形成波形RAM。

3.3.1 芯片的选择

本设计选择的FPGA芯片是EPF10K10LC84-4。

FLEX 10K系列器件是一种嵌入式的PLD产品。FLEX（可更改逻辑单元阵列）采用可重构的CMOS SRAM单元，其结构集成了实现通用多功能门阵列所需要的全部特性。FLEX 10K系列器件的容量可达25万门，能够高密度、高速度、高性能地将整个数字系统集成于单个器件中。