DDS原理与应用实用教案

1、自我介绍 通信学院2002级 2005全国(qun u)大学生电子设计竞赛一等奖 通信楼527 E-Mail： StanleyL第1页/共41页第一页，共42页。电子设计竞赛(jngsi) 本科阶段最艰苦，收获最大的比赛 拿奖=3人能力(nngl)*努力程度*意志力*团队意 识*运气 个人收获=求知欲*努力程度*意志力*团队意识第2页/共41页第二页，共42页。DDS简介(jin ji) 全称Direct Digital Synthesizer（直接数字合成），是从相位出发，直接采用数字技术产生波形的一种频率合成技术。 简单的说就是直接查表得到每一点波形所对应(duyng)的数字值。与MatL

2、AB的stem函数相似第3页/共41页第三页，共42页。MatLAB中N=1:0.2:20stem(N,sin(N)第4页/共41页第四页，共42页。DDS与外围(wiwi)系统 虚线部分是DDS结构( jigu)内部 D/A：模数转换器 LPF：Low-Pass Filter 低通滤波器第5页/共41页第五页，共42页。DDS总体(zngt)结构 先分部分介绍其结构，后面会讲到总体(zngt)原理。第6页/共41页第六页，共42页。相位(xingwi)增量(Phase Increment) ,也称为频率(pnl)控制字，单纯的无单位（不代表弧度或者角度）无符号数。第7页/共41页第七页，共4

3、2页。相位(xingwi)累加器(Phase Accumulator) 由一个无符号数的加法器和一个寄存器构成，一个时钟周期(zhuq)完成一次加法运算。第8页/共41页第八页，共42页。量化器(Quantizer) 完成很简单的功能。将较高精度，较大位宽的输入，丢弃低比特位，得到较低精度，较小位宽的输出，直接用作后面(hu mian)查找表的地址。第9页/共41页第九页，共42页。正余弦(yxin)查找表(Sine/Cosine Lookup Table) 存放正余弦数值。在单片机应用中，可以由MatLAB产生，手动写入。在FPGA中，系统可自动(zdng)生成，也可手动写入。第10页/共4

4、1页第十页，共42页。正余弦(yxin)查找表(Sine/Cosine Lookup Table) 举例（随地址空间大小的不同(b tn)，数值发生相应的变化） 计算公式就是 Y=5000*sin(X/16*2)+1000050000001691300108536001196190100100001100011013811110146411113087放大(fngd)倍数直流偏移第11页/共41页第十一页，共42页。正余弦(yxin)查找表(Sine/Cosine Lookup Table)0000500000016913001085360011961901001000011000110138

5、11110146411113087第12页/共41页第十二页，共42页。DDS总体(zngt)原理 每一周期会累加上固定的相位值，然后从查找表中找到对应(duyng)的数值。第13页/共41页第十三页，共42页。输出(shch)频率计算公式第14页/共41页第十四页，共42页。输出(shch)频率计算举例第15页/共41页第十五页，共42页。实际(shj)应用中 通常是知道系统工作时钟，和要求生成的输出频率(pnl)，需要计算相位增量。第16页/共41页第十六页，共42页。频率(pnl)分辨率公式(Frequency Resolution)第17页/共41页第十七页，共42页。频率(pnl)分

6、辨率计算第18页/共41页第十八页，共42页。相位抖动DDS (Phase Dither DDS)相位(xingwi)截断DDS的频谱第19页/共41页第十九页，共42页。相位抖动DDS结构(jigu)随机抖动(dudng)序列发生器不适合电子设计比赛(bsi)中使用第20页/共41页第二十页，共42页。相位抖动DDS频谱第21页/共41页第二十一页，共42页。DDS设计(shj)扩展 生成正余弦波时，只存放1/4个周期的波形（高2比特不作为数据位，而作为波形的选择使用），优点是大大节约存储空间，但会导致计算的时间延长。 使用DDS生成任意波形（三角(snjio)波、方波、锯齿波等）第22页/

7、共41页第二十二页，共42页。D/A的使用简单(jindn)介绍 D/A是数模转换器。关于它的调用，每一种具体型号有所不同。但是基本原理都是将数字信号传送给D/A，由D/A完成(wn chng)转换，输出模拟信号。第23页/共41页第二十三页，共42页。定时器的使用(shyng)简单介绍 定时器中断是单片机中各种中断中的一种。 简单的说，定时器就是自动(zdng)在每次设置的时间到时之后执行定时器中断函数。 定时器需要启动命令启动，并需要设置每次计时的时间。第24页/共41页第二十四页，共42页。设计(shj)实例51单片机 通过一个简单的实例来说明设计的原理 使用Atmel公司的89C51系

8、列单片机，MSP430等单片机实现方法类似。 目标：采用(ciyng)深度为256的查找表，在10KHz的数据输出频率下，实现100Hz1KHz的正弦波输出。第25页/共41页第二十五页，共42页。步骤(bzhu)1 通过MATLAB建立( jinl)正余弦查找表 f1 = fopen(d:aaa.txt,w); fprintf(f1,%.0f,255.5*(sin(N/256*2*pi)+1); fclose(f1)第26页/共41页第二十六页，共42页。正余弦(yxin)查找表注意最前面的”code”（51用）。MSP430使用”const”。注意：表有点(yudin)问题，范围应该是从0

9、256.第27页/共41页第二十七页，共42页。步骤(bzhu)2 计算相位(xingwi)增量计算出相位增量(zn lin)，将相位累加器清零定义几个变量通过宏定义的方式给出数据输出时钟和正弦波频率注意：上式请自己推导，与课件中公式有点区别第28页/共41页第二十八页，共42页。步骤(bzhu)3 每一次定时器中断输出(shch)一个值第29页/共41页第二十九页，共42页。设计实例(shl)Xilinx公司FPGA 设计一个使用(shyng)100MHz时钟产生10MHz正弦波 设计环境使用(shyng)Xilinx公司的ISE7.1 使用(shyng)Core Generator生成DD

10、S的IP Core第30页/共41页第三十页，共42页。步骤(bzhu)1 选择(xunz)生成新的IP Core第31页/共41页第三十一页，共42页。步骤(bzhu)2 在“Communication & Networking”-“Modulation”中选中”Direct Digital Synthesizer 5.0”第32页/共41页第三十二页，共42页。步骤3 设置必要(byo)参数产生正弦还是(hi shi)余弦工作(gngzu)时钟频率频率分辨率频谱纯净度第33页/共41页第三十三页，共42页。步骤(bzhu)4 设置输出频率输出(shch)正余弦波频率查找(ch zh

11、o)表是可写入或系统自动生成第34页/共41页第三十四页，共42页。步骤(bzhu)5 设置可选参数是否使用抖动(dudng)技术存储器类型(lixng)流水结构第35页/共41页第三十五页，共42页。步骤(bzhu)6 给出统计报告第36页/共41页第三十六页，共42页。课后练习作业(zuy) 因为是很基本的东西(dngx)，所以请让一组的所有同学都参与一下，不要一个人做完。 开学后各组带队老师会检查该组的完成情况。第37页/共41页第三十七页，共42页。题目(tm) 使用51单片机（Keil环境）编写DDS产生正弦波的程序（单片机工作频率16MHz） 基本要求：在10KHz的D/A数据输出

12、频率下，产生100Hz1KHz的正弦波输出。要写出完整的程序，包括定时器的初始化和调用。D/A的输出部分不要求，可以(ky)调用函数如 Void Send_to_DA(unsigned char send_value) DA输出函数体内部不要求写。 正弦表深度为512. 输出正弦波频率通过宏定义变量给入即可，不要求输入的函数。第38页/共41页第三十八页，共42页。题目(tm) 发展要求： 1、存储表只存放1/4个周期(zhuq)的正弦函数，完成正弦函数的输出 2、能够同时输出三角波和正弦波（通过一个宏定义变量切换） 3、同时使用两个DA，如何最简便的同时输出正弦和余弦波形？按照你所想出的方法写出程序。第39页/共41页第三十九页，共42页。 有兴趣的同学可以安装Xilinx ISE7.1，自行完成FPGA的程序设计（不要求同组一起(yq)完成，看个人兴趣）。 答疑在通信楼527 E-mail: StanleyL第40页/共41页第四十页，共42页。感谢您的欣赏(xnshng)！第41页/共41页第四十一页，共42页。NoImage内容(nirng)总结自我介绍。E-Ma