DDS數(shù)字頻率合成器實驗報告

1、dds數(shù)字頻率合成器實驗報告摘要直接數(shù)字頻率合成器是一種基于全數(shù)字技術，從相位出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術，具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時間等優(yōu)點，廣泛使用在電信與電子儀器領域，本次實驗中，利用quartusii軟件設計一個可控制頻率，相位的可輸出正弦和余弦的直接數(shù)字頻率合成器，要求分析整個電路的工作原理，并分別說明各子模塊的設計原理，整合各電路，形成總體電路。完成調試、仿真、編程下載后，分析最終結果，總結問題并尋求解決方法 關鍵詞： 直接數(shù)字頻率合成器 累加 控制 頻率 相位 波形abstractdirect digital frequencysynthesizeris

2、a fulldigitaltechnology based onafrequency synthesis technology,the required waveformfrom thephase of thedirect synthesis,has the advantages of low cost,low power consumption,high resolution and fast switchingtimeand other advantages,is widely used in thefield ofelectricalandelectronicequipment,in t

3、his experiment,a design cancontrol the frequencyby using quartusii software,the direct digital frequency synthesizerphasecan outputsine and cosine,the working principle ofthe whole circuitrequirementsanalysis,and explainsthe design principleof each module,integration of thecircuit,the formation ofth

4、e overallcircuit.finished debugging,simulation,programming,analysisresult,summarizes the problemsand seek solutionskey word: direct digital frequency synthesizer accumulation control frequent phase position waveform 一、實驗目的： 設計一個頻率及相位均可控制的可輸出正弦及余弦波形直接數(shù)字頻率合成器二、實驗原理與過程： 直接數(shù)字頻率合成器是一種基于全數(shù)字技術，從相位概念出發(fā)直接合成所

5、需波形的一種頻率合成技術。具有相對帶寬大、頻率轉換時間短、分辨力高、相位連續(xù)性好等優(yōu)點，很容易實現(xiàn)頻率、相位和幅度的數(shù)控調制，廣泛應用于通訊領域。dds的主要由頻率預置與調節(jié)電路、累加器、波形存儲器、d/a轉換器及低通濾波器這幾部分組成。其主要工作就是相位累加，其輸入是控制字，輸出送相位調制器，相位調制器除對累加器的結果加上一個偏移量外，還通過相位同步器與時鐘同步。正弦.rom查找表完成相位到幅度的轉換，它接受相位調制器的輸出實際上就是rom的地址值，其輸出送入d/a，就得到最終的正弦波。典型的dds模型由相位累加器、移相加法器、波形存儲器rom 查找表（lut）、d/a 轉換器（dac）以及

6、低通濾波器（lpf）構成，其原理框圖如上圖所示。上圖中，fcw 表示頻率控制字（位寬為m 位）、pcw 表示相位控制字（位寬為k 位）、相位累加器的字長為n 位、rom查找表地址線位寬為l 位、rom lut 數(shù)據(jù)位寬和dac 的字長為d 位。其基本工作原理是: 相位累加器在參考時鐘fosc 的控制下以步長2m 做累加，輸出的n 位二進制碼中的高l 位與k 位相位控制字相加后，取其高l位作為波形存儲器rom lut的地址，rom lut 尋址輸出的d 位幅度碼s(n)經d/a 轉換器變成階梯狀波形s(t)，再經過低通濾波器平滑后就可得到合成的信號波形輸出。其中的頻率控制字位寬m 和相位控制字位

7、寬k，可以根據(jù)需要而選擇對應相位累加器和移相加法器輸入的中間某幾位。輸出的合成信號波形的形狀取決于romlut 中存儲的波形幅度碼，因此采用dds 技術可以產生任意信號波形。 由于相位累加器為n位,相當于把正弦信號在相位上的精度定為n位,所以分辨率為1/2n.若系統(tǒng)時鐘頻率為fc,頻率控制字fword為1,則輸出頻率為fout=fc/2n,這個頻率相當于基頻.若fword為k,則輸出頻率為:fout=k* fc/2n當系統(tǒng)輸入時鐘頻率fc不變時,輸出信號的頻率由頻率控制字k所決定.由上式可得:k=2n*fout/fc其中,k為頻率字,注意k要取整,有時會有誤差. 選取rom的地址時,可以間隔選

8、項,相位寄存器輸出的位數(shù)d一般取10-16位,這種截取方法稱為截斷式用法,以減少rom的容量.d太大會導致rom容量的成倍上升,而輸出精度受d/a位數(shù)的限制未有很大改善.頻率預置與調節(jié)電路k為相位增量,也叫頻率控制字.dds的輸出頻率表達式為fout=k* fc/2n,當k=1時,dds輸出最低頻率(也即頻率分辨率)為fc/2n,而dds的最高輸出頻率由nyquist采樣定理決定,即fc/2,也就是說k的最大值為2n-1.因此,只要n足夠大,dds可以得到很細的頻率間隔.要改變dds的輸出頻率,只要改變頻率控制字k即可.累加器相位累加器由12位加法器與12位寄存器級聯(lián)構成.每來一個時鐘脈沖,加

9、法器將頻率控制字k與寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加,再把相加后的結果送至寄存器的數(shù)據(jù)輸入端.寄存器將加法器的上一個時鐘作用后所產生的相位數(shù)據(jù)反饋至加法器的輸入端,以使加法器在下一個時鐘作用下繼續(xù)與頻率控制字進行相加.這樣,相位累加器在時鐘作用下,進行相位累加.當相位累加器累加滿量時就會產生一次溢出,完成一個周期性的動作.累加器原理如下圖:波形存儲器用相位控制模塊輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器的取樣地址,進行波形的相位-幅值轉換,即可在給定的時間上確定輸出的波形的抽樣幅值.n位的尋址rom相當于把的正弦信號離散成具有2n個樣值的序列,若波形rom有d位數(shù)據(jù)位,則2n個樣值的幅值以d位二進制數(shù)值固化在ro

10、m中,按照地址的不同可以輸出相應相位的正弦信號的幅值. d/a轉換器d/a轉換器的作用是把合成的正弦波數(shù)字量轉換成模擬量.正弦幅度量化序列s(n)經d/a轉換后變成了包絡為正弦波的階梯波s(t).需要注意的是,頻率合成器對d/a轉換器的分辨率有一定的要求,d/a轉換器的分辨率越高,合成的正弦波s(t)臺階數(shù)就越多,輸出的波形的精度也就越高.低通濾波器低通濾波器對d/a輸出的階梯波s(t)進行頻譜分析,可知s(t)中除主頻f0外,還存在分布在fc,2fc兩邊f(xié)0處的非諧波分量,幅值包絡為辛格函數(shù).因此,為了取得主頻f0,必須在d/a轉換器的輸出端接入截止頻率為fc/2的低通濾波器.測頻電路測頻就

11、是計算1秒鐘內脈沖的個數(shù).我們利用計數(shù)器和鎖存器實現(xiàn)這一功能.由于累加器以頻率控制字k為間隔,當累加器滿量時就會產生一次溢出,完成一次周期性的動作,這個周期也就是dds信號的一個頻率周期,所以將累加器的最高位作為測頻電路技術器的脈沖.將1hz的時鐘信號二分頻,得到0.5hz.將0.5hz脈沖送入鎖存器的時鐘端,0.5hz反相延時后的脈沖送入計數(shù)器的清零端.這樣就使計數(shù)器在2s的脈沖周期內,1s內清零,1s內計數(shù).由于鎖存器的脈沖和計數(shù)器的脈沖是反相的,且有一定的延時,所以當鎖存器有效脈沖來到時,計數(shù)器是清零狀態(tài),鎖存器就鎖存前1s內計數(shù)器的計數(shù)信號.這樣就完成了1s內的脈沖計數(shù),再將鎖存器的輸

12、出送入譯碼顯示電路,就可以在數(shù)碼管上顯示波形頻率了.三、實驗步驟試驗箱頻率為48mhz，進行分頻是首要工作，也是其他模電路順利運行的關鍵。1.二分頻電路波形圖如下2. 三分頻電路實驗電路如下3十六分頻電路4.十分頻電路5.一千分頻電路總脈沖電路圖如下頻率預置與調節(jié)電路 為進行頻率控制量的輸入，頻率預置與調節(jié)電路必不可少。k被稱為相位增量。dds的輸出頻率為。當時，輸出最低頻率為；而dds的最高輸出頻率，為最大值。是從0000到1111的四位二進制數(shù)，為了與相位累加器相匹配，需要定義成12位。的范圍是從000000000000到000000001111。利用一個模16計數(shù)器來產生頻率控制字。計數(shù)

13、頻率采用1hz，通過開關來控制使達到需要頻率控制字。累加器加法器由3個全加器7483構成，全加器的輸入為12位2進制數(shù)，低四位對應著k4、k3、k2、k1，高八位輸入均為0，寄存器由3個74173構成，分別與全加器的輸出相連， 相位調節(jié)用一個12位的加法器將之前累加器的輸出結果的高四位與相位控制字相加，構成相位控制模塊。封裝圖如下rom波形存儲器波形存儲器的相位取樣地址來自于相位累加器，可存放不同類種波形的地址，例如正弦波、余弦波、方波、矩形波、鋸齒波、三角波等，可通過后面的d/a轉換器及低通濾波器將數(shù)字信號轉化為模擬信號。根據(jù)量化公式計算出的存儲數(shù)值放到存儲地址，形成mif文件，生成波形存儲

14、器封裝圖。通過編寫程序，將計算好的存儲數(shù)據(jù)存放在excel表格中 mif文件操作過程如下。 最后生成封裝圖。如下其他波形步驟相同 波形選擇器電路圖如下k5k6波形00余弦波01三角波10鋸齒波11方波控制電路作為一個模16的計時器，將頻率控制字和相位控制字分別寫成高四位、第四位的bcd碼形式電路圖如下封裝圖如下測頻電路測頻電路作用是測量正弦波輸出頻率，通過將輸出數(shù)據(jù)接到譯碼顯示電路中，使測頻的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示出來。其出一秒中其變化的次數(shù)即為輸出正弦波頻率。利用一個計數(shù)器記錄下這期間的脈沖個數(shù)，就可以實現(xiàn)測頻。正弦波的頻率范圍為03662hz。 顯示電路此模塊是用于數(shù)碼管的動態(tài)顯示，在本實驗中

15、一共需要6個數(shù)碼管參與顯示（秒2位，分2位，時2位），所以計數(shù)器74161設計為模6的循環(huán)，其輸出既作為4片74151的控制端，又作為38譯碼器74138的控制端。因為只有一片bcd譯碼器7447，所以當計數(shù)器到某一個數(shù)值時，四片74151同時選取對應位的一個輸入組成計時器某一位的bcd編碼接入顯示譯碼器7447，與此同時根據(jù)計數(shù)器的數(shù)值，74138譯碼器也從六個顯示管的使能端選擇對應位有效，從而在實驗箱上顯現(xiàn)一個有效數(shù)據(jù)。掃描的頻率為幾千赫茲,因為人眼視覺停留的原因，會感覺七個數(shù)碼管同時顯示。在實驗中，我嘗試使用并行四分之一周期正弦與余弦波形節(jié)省rom空間。將0至/2的波形存入rom，從而形

16、成用地址取反和輸出取反的方法。為了簡化方式，我們將最高的兩位作為選擇，后十位的前四分之一周期等分為1028份放入rom的存儲空間里。電路圖如下將取反電路與4位rom電路相結合，將4個四分之一周期的修改后的sin波形作為lpm_rom的輸入，o11.10作為選擇并輸出，最終輸出的sin9.0為四段組合過后的波形。最終電路如下當整個電路設計完成后，進行模擬仿真，觀察波形。選擇“file-new”，打開“other files”標簽項，選擇“vector waveform file”。在談出對話框右邊“name”下的空白框里雙擊鼠標，在新彈出的對話框里點擊“node finder”按鈕。在新對話框中

17、的“filter”中選擇“pins:all”后，點擊“pins:all”后點擊“l(fā)ist”按鈕，則“nodes found”對話框中列出了本工程的所有輸入輸出節(jié)點。雙擊所要節(jié)點，則右邊的“selected nodes”框中出現(xiàn)了所選的節(jié)點。點擊“ok”， 再點擊“ok”，完成節(jié)點的添加。再設置時鐘脈沖后，點擊進行波形仿真觀察波形。將編譯好的程序下載到芯片之前要進行管腳分配。選擇“assignments-pins”,打開管腳分配對話框。在to欄中，輸入各管腳的名稱，在location下輸入相應的管腳。選擇“file-save”來保存分配，然后關閉“assignment editor”。選擇“as

18、signments-setting”，打開device&pin對話框，選擇configuration標簽頁，采用串行配置器件epcs4的主動配置模式。在device&pin對話框中選擇unused pins標簽頁，進行沒有使用的管腳設置為高阻狀態(tài)。然后選擇“processing-start compilation”進行全程編譯。將實驗箱的電源打開，點擊工具欄上的，再點擊，點擊，在彈出的對話框中點擊“ok”，然后點擊“close”關閉對話框，則在后面的“no hardware”變成了“byteblasterlpt1”。最后在“program/configure”列下的復選框中打勾，點擊開始向實驗箱上下載。示波器截圖如下 頻率控制改變相位控制改變三、實驗心得：本次實驗動手難度不算太大，但原理卻略為復雜，很容易出錯，在細微方向上，需要小心謹慎。關鍵的是要注意電路內部的設計合理 性問題，以及各部分相關聯(lián)的細節(jié)問題。最后綜合考慮理論與實際偏差的問題來設計電路。在遇到錯誤時要認真思考，實驗過程中有無數(shù)次各種各樣的錯誤，關鍵在于對數(shù)字頻率合成器的把握上，要有所重，關鍵是量化的過程，