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文献综述与开题报告文献综述
1.
1.1频率合成技术简介频率合成是指从一个高稳定的参考频率,经过各种技术处理,生成一系列稳定的频率输出频率合成的概念就是由一个或几个参考频率通过一些转换,产生一个或多个频率信号的过程频率合成技术一般分为直接式DS、间接式PLL和直接数字式DDS三种基本形式早期的频率合成采纳直接式的方式,是由一个或多个晶体震荡器经分频、倍频、混频对一个或几个基准频率进行加、减、乘、除运算产生所需要的频率信号,并通过滤波器产出,这是最早的频率合成信号源的方法目前该方法仍在使用,主要是由于它频率转换速度、相位噪声低,比较简洁实现但是该方式涉及的合成器体积过于浩大,而且成本较高,结构简单、产生任意波形的可控性较低间接合成式是基于锁相环的原理,即PLL它与前者相比,输出频率的稳定度和精确度都有明显的提高,频谱纯度等性能也有较大改善主要是由于信号源的振荡频率被固定在频率计数器的时基上,也就是说以稳定度高的振荡器为基准因此,锁相环的输出频率就与基准频率全都,振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为固定的常数,而且锁相环的突出优点是能够抑制叠加到输入信号上的噪纠这是直接式频率合成方法所不能达到的PLL还有体积小、性价比较高等一系列优点但是PLL技术也有明显的缺点,实行闭环掌握,系统的输出频率转变后,重新达到稳定的时间也就比较长,一般为毫秒级,很难满意高频率辨别率与快速转换率同时具备的要求,因此也有明显瑕疵直接数字频率合成技术从原理上实现了突破前两种方法都是通过对基准频率进行运算得出,而DDS技术则是从相位的概念进行频率合成它按肯定的相位间隔,将待产生的波形幅度的二进制数据存储于高速存储器作为查找表,用参考频率源一般为晶体振荡器作为时钟,用频率掌握字打算每次从查找表中取出波形数据的相位间隔,以产生不同的输出频率,对取出的波形数据通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形直接数字频率合成技术的主要优点是输出相位连续、相对带宽较大、频率辨别率很高、可编程、精确度和稳定度都比较高DDS技术是采用查表法来产生波形,而通过修改存储在ROM里的数据,就可以产生任意波形所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形,而且还可以依据需要采用各种编辑手段,产生传统函数发生器所不能产生的真正意义上的任意波形所以,在这里选择DDS技术基本结构
1.2DDSDDSDirect Di西tai Synthesis技术设计思想是基于数值计算信号波形的抽样值来实现频率合成的它包括数字器件与模拟器件两部分,主要有相位累加器、ROM波形查询表、数模转换器组成其基本框图如下图11相位累加器是加S的核心部分一般是由数字全加器和数字寄存器组成,一般DDS的累加器都采纳二进制,线性数字信号通过相位累加器实现逐级的累加假设累加器字长为N,频率掌握字为K,掌握时钟频率为fc,系统在同一个时钟下工作,每个时钟周期加法器做一次累加计算由于累加器的满偏是2W,所以累加一次,相当于做一次21V模的运算得到的和作为相位值2波形函数存储在ROM中依据累加器输出的相位值,作为地址,查找存储在ROM中的波形函数的幅度量化值,完成相位到幅值的转换,输出相对应的序列3数模转换器DAC是DDS中的重要部分经过查表以后得到的是离散的脉冲信号,通过数模转换器将转换成为连续平滑的信号DDS输出的最高频率主要跟DAC的性能有关由于一个正弦周期内采样点越少,越简洁发生失真现象为了获得较为抱负的信号,一般DAC之后都会接一平滑滤波器基本原理
1.3DDSwz=t7sin2r+6J2-1一个纯洁的单频信号可表示为:只要它的幅度U和初始相位内不变,它的频谱就是位于力的一条谱线为了分析简化起见,可令U=l,%=0,这将不会影响对频率的讨论即:=sin2成=sin0t2-2假如对(2-2)的信号进行采样,采样周期为■(即采样频率为力),则可得到离散的波形序列:〃⑺=sin2%4n=0,1,
2...2-3相应的离散相位序列为:〃=2jtf nT=n=0,1,
2...o c2-4式中:△夕=27rfl.=2兀2-5是连续两次采样之间的相位增量依据采样定理:2-6只要从(2-3)出来的离散序列即可唯一的恢复出(2-2)的模拟信号从(2-2)可知,是相位函数的斜率打算了信号的频率;从(2-5)可知,打算相位函数斜率的是两次采样之间的相位增量A3因此,只要掌握这个相位增量,就可以掌握合成信号的频率现将整个周期的相位2〃分成M份,每一份为°=2%/,若每次的相位增量选择为5的K倍,即可得到信号的频率:2-7相应的模拟信号为:K y—fct M=sin2TI2-8式中K和M都是正整数,依据采样定理的要求,K的最大值应小于M的1/2综上所述,在采样频率肯定的状况下,可以通过掌握两次采样之间的相位增量(不得大于兀)来掌握所得离散序列的频率,经保持、滤波之后可唯一的恢复出此频率的模拟信号
1.4FPGA以硬件描述语言Verilog或VHDL所完成的电路设计,可以经过简洁的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的规律门电路比如AND、OR、XOR、NOT或者更简单一些的组合功能比如解码器或数学方程式在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器Flip-flop或者其他更加完整的记忆块
1.5Quartus IIAlteraQuartus II作为一种可编程规律的设计环境,由于其强大的设计力量和直观易用的接口,越来越受到数字系统设计者的欢迎Quartus IIdesign是最高级和简单的,用于system-on-a-programmable-chip SOPC的设计环境QuartusII design供应完善的timing closure和LogicLock基于块的设计流程QuartusII design是唯----------------------------------个包括以timing closure和基于块的设计流为基本特征的programmable logicdevice PLD的软件Quartus II设计软件改进了性能、提升了功能性、解决了潜在的设计延迟等,在工业领域领先供应FPGA与mask-programmed devices开发的统一工作流程主要任务和目标
2.本设计,在保证硬件电路功能的前提下,使电路模块化以便利设计和管理整个系统组成以FPGA芯片为核心,配以必要的外围电路组成外围电路主要分为掌握电路和数据处理电路两部分,完成显示信息以及掌握波形数据的模块输出等功能因此,针对以上问题,本设计的工作拟包括以下几个部分
1、选用FPGA集成芯片作为设计的主控芯片,实现信号源的产生;
2、要求信号源输出任意波形;
3、输出信号幅值频率可调讨论思路、方法和方案
3.基于FPGA实现DDS功能,通过单片机实现掌握此方案的核心在于FPGA的设计实现规律功能,通过对存储器查表后输出信号,由相连接的数模转换器转换为要求的波形单片机作为掌握器,易于掌握与调试系统框图如下FPGA数通信模块波形模单波形转片输出发生模或换机液晶器数据控制模块图2其中,单片机部分实现掌握,给DDS频率合成部分供应频率掌握字FPGA部分实现DDS频率合成,该部分为整个设计的核心部分产生的数字信号再传给数模转换器转变为需要的模拟信号,最终通过滤波放大部分产生需要的任意波形建立一个模块实现从单片机接收来的频率掌握字的寄存功能,作为寄存器全加器实现20位的相位累加,通过频率掌握字作为步进步行掌握由于FPGA内输出位数有限,因此建立一个模块进行高位截断,只去高十位,接收累加器输出的数据然后再通过波形ROM完成波形的查找与输出这部分为固定的正弦波、三角波、方波与锯齿波等常规波形的输出部分任意波形部分,则需要一个能随时接受数据更新的RAM,其数据的写入由单片机掌握,接收上位机的下传数据,其数据的读取由DDS中的地址发生器掌握,这样即可产生任意波形输出按收来自小片机的0I#申控到字时钟DDS基本框图:波形累加器[=ROM阻2累「一I加波形RAM任意波形输入寄存器U i位10时钟分频下面先已固定波形来分析:频率掌握字寄存器用于接收单片机传输过来的频率掌握字,进行一个掌握字的位数转换8位转化为20位累加器已寄存器传输过来的频率掌握字作为步进步行加法运算,当其满值时清零,并重新进行运算累加器位数为20位T截位寄存器实现高位截段由于储存波形的ROM为十位,而累加器传输来的数据为20位,所以需要通过截位寄存器截取累加器数据的前十位波形ROM用来存储正弦波等信号的波形数据,每个波形存储在一个固定的波形ROM里其中Sine ROM为正弦波存储模块,Square ROM为方波存储模块,Triangle-ROM为三角波存储模块,Swtooth ROM为锯齿波存储模块在ROM宏单元中可以自动生成ROM中的数据由截位寄存器传输来的数据进行查找ROM中相应的数据进行输出,从而可以输出不同频率的波形此方案的特点通过FPGA构建DDS,方法敏捷,易于产生任意波形进度支配
4.设计(论文)各阶段任务起止日期1查资料,看书,完成开题报告及预备工作熟识开发环境与开发过程2编程、调试,初步实现设计要求3修改,完成设计45完成毕业论文及答辩1参考文献
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