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毕业设计 基于FPGA的直接数字频率合成器的设计

摘 要
  在频率合成领域，常用的频率合成技术有直接模拟合成、模拟锁相环、小数分频锁相环等，直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis ，DDFS，简称DDS）是近年来的新的频率合成技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，再通过高速D/A变换器产生所需的数字波形，这个数字波形经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。DDS是产生高精度、快速频率变换、输出波形失真小的优先选用技术。
本文介绍了直接数字频率合成器的基本组成及设计原理，给出了基于FPGA的具体设计方案及编程实现方法。本设计中DDS主要由相位累加寄存器、微控制接口、双端口RAM等三个部分组成。仿真结果表明，该设计简单合理，使用灵活方便，通用性好，可写入各种FPGA芯片。同时，由于FPGA现场可编程，设计复杂或者简单系统完全从实际需要出发，通过重写RAM/ROM数据，可以做到任意波形输出和动态波形输出，这是其他方法所无法比拟的。基于FPGA的直接数字频率合成设计方法，在利用比例乘法器时，可将频率分辨率提高到惊人的程度。因此，DDS广泛应用于电子测量、调频通信、电子对抗等领域。
关键词： 直接数字频率合成器(DDS)，VHDL，现场可编程门阵列(FPGA) 

Abstract
In Frequency domain, the common Synthesis technology has Direct simulation, phase lock loop simulation, decimal Frequency and phase lock loop, Direct Digital Frequency Synthesis (Direct Digital Frequency Synthesis,DDFS,for short DDS) in recent years is the new Frequency Synthesis technology. With high stability of DDS reference clock for reference source, through the precise phase accumulator and digital signal processing, again through high-speed D/A converter for digital waveform, through a filter, the digital waveform finally is converted to simulation signal waveform. Because of high precision , fast conversion of frequency and the little distortion of waveform , DDS is becoming the better choice.
The paper introduces the basic direct digital frequency synthesizer design principle, and gives the specific design scheme based on FPGA and programming method. The DDS in this paper is mainly made up by phase accumulate registers, micro control interface and two-port RAM . Simulation results show that the design is simple and reasonable, use agile and convenient, generality, writeable various FPGA chip. Because the FPGA could be programmed directly, when design complicated or simple system completely from the actual need, through rewriting RAM/ROM data, DDS can output any kinds of waveform ,aslo dynamic waveform. which is other methods can not get. This chapter is proposed based on FPGA digital frequency direct synthesis utilization ratio, and the design method of frequency resolution on time-multiplier, will increase to an alarming extent. So it is wdely used in electronic measurement ,spurious frequency modulation communication, electronic counter, and so on.
Key words： Direct Digital frequency Synthesizer(DDS)，VHDL，
Field－Programmable Gate Array (FPGA)

目录
1  前言 1
   1.1 课题背景 1
   1.2 课题目的和意义 2
   1.3 DDS发展前景 2
2  设计开发环境概述 4
   2.1 FPGA 4
      2.1.1  FPGA工作原理 4
      2.1.2  FPGA的应用 5
   2.2 VHDL 6
      2.2.1  VHDL系统设计的特点 7
      2.2.2  VHDL系统优势 8
   2.3 Quartus II简介 9
3  各种频率合成技术 10
   3.1 直接模拟（DAS） 10
   3.2 间接式频率合成（PLL） 10
   3.3 直接数字频率合成（DDS） 11
4  系统设计 15
   4.1 模块划分 15
      4.1.1  微控制器接口模块 16
      4.1.2  相位累加寄存器 16
      4.1.3  双端口RAM 16
   4.2 各功能模块设计与实现 17
      4.2.1  微控制器接口模块 17
      4.2.2  比例乘法器模块 21
      4.2.3  相位累加器模块 27
      4.2.4  双端口RAM模块 27
   4.3 顶层模块综合仿真 33
5  结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 39