基于DDS技术的任意波形发生器(2)

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点代替，然后依次等时间间隔输出，每个取样点的电平由预先存贮好的数据经过D/A得到。这个过程相当于采样保持及A/D转换的逆过程。控制两个取样点之间的时间间隔及相位，就实现了频率连续可调。

2.2.1 DDS设计原理和结构

FCPRLUTDACOUTPUTfcCLOCK

图2-1 DDS技术的基本结构图

上图为DDS技术的基本结构图，频率控制字FC(Frequence Control)控制合成波形频率。时钟源以频率fc发出脉冲。当一个脉冲到来时，N位相位寄存器PR(Phase Register)以步长FC增加，其结果作为查找表LUT(Look up Table)的寻址地址。LUT内存有一个完整周期波形的数字幅值信息。每个LUT存储单元对应一个周期内的某一个相位点。查找表把输入的地址信息映射成合成波形的幅值信号，输入到数模转换器DAC。经过DAC，就可以得到要合成的波形。实际上，FC是每个时钟期间波形的相位增量，控制FC，就可以控制输出波形的频率。

PR每经过2/M个时钟周期后回到初始状态，对应的DAC也输出了一个波

NN形。输出的波形的周期为T=( 2/Fe)T。，频率为f=(FC/2) fc。DDS的最小分

N辨率为fr= fc /2。

N2.2.2 DDS技术的特点

由于DDS采用了不同于传统频率合成方法的全数字结构，所以DDS技术具备了直接模拟频率合成和间接频率合成方法所不具备的很多特点:

? 频率分辨率极高。分辨率fc /2，因为N取值极大(一般为32，48位)，使

得分辨率极高，一般微Hz级。

? 频率捷变很快。频率控制字的传输时间及以低通滤波为主的器件相应时间很

短，使得高速DDS系统的频率切换时间可以达到ns级。 ? 输出相位带宽很宽，DDS输出频率范围可达:0—40% fc。

? 变频相位连续。频率控制字的改变实质是改变相位增长率，而相位本身保持

不变，使得系统有良好的相参性。

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? 易于控制、集成和实现功能扩展。改变查找表中存储的数据，可以实现任意

波形输出；由于可以方便地对输出信号地幅度、频率、相位进行控制，故可以实现任意调制功能。可以预计，随着DDS芯片性价比的提高，其生命力将越来越强大。

? 杂波抑制差。DDS全数字结构带来了很多优点，但正是由于这种结构以及访

问查找表时采用的相位截断、DAC位数有限等决定了DDS的杂波抑制较差。 ? 输出带宽较窄。受器件速度(特别是DAC)的限制较为严重。这也是DDS的

主要缺点之一。

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河南城建学院本科毕业设计（论文） EDA技术与FPGA /CPLD器件

3 EDA技术与FPGA /CPLD器件

3.1 EDA技术

EDA(Electronic Design Automatic电子设计自动化)技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计;涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究的范畴相当广泛。

在电子设计技术领域，PLD(Programmable Logic Device可编程逻辑器件)的应用，已有了很好的普及，这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于该器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。纵观可编程器件的发展史，它在结构原理、集成规模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术的革命与发展提供了不可或缺的强大动力。随着可编程逻辑器件集成规模不断扩大，自身功能的不断完善和计算机辅助设计技术的提高，在现代电子系统设计领域中的EDA便应运而生了。

EDA是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术，它与电子技术、微电子技术的发展密切相关，它吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作平台，是20世纪90年代初从CAD(Computer Aide Design计算机辅助设计)、CAM(Computer Aided Manufacture计算机辅助制造)、CAE(Computer Aided Test计算机辅助测试)、CAE(Computer Aided Education计算机辅助工程)的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局线、仿真，直至对于特定目标芯片地适配编译，逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下应用相应的PLD器件，就可以得到最后的设计结果。尽管目标是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。当然，这里所谓EDA主要是指数字系统的自动化设计，因为这一领域的软硬件方面的技术已经比较成熟，应用的普及程度也已比较高。而模拟电子系统的EDA正在进入实用，其初期的EDA工具不一定需要硬件描述语言。此外，从应用的广度和深度来说，由于电子信息领域的全面数字化，基于EDA的数字系统的设计技术具有更大的应用市场和更紧迫的需求性。

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EDA的实现是与PLD技术的迅速发展息息相关的。PLD器件是80年代中后期兴起的新型器件，其特点是具有用户可编程的特性。利用PLD，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了开发成本。此外，新型的PLD还具有静态可重复编程或在线动态重构的特性，使硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升一级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。

3.2 可编程逻辑器件(PLD)

PLD(Programmable Logic Device)是近些年才发展起来的一种新型集成电路，它以EEPROM、SRAM或Flash为基础，由用户根据自己的需要采用图形、硬件描述语言、状态图等方式对其进行编程，确定芯片的功能，从而达到了对硬件进行编程的效果。随着可编程器件在规模、密度、性能等方面的飞速发展以及成本的不断降低，越来越多的电子工程师在越来越多的设计中采用了这种新型器件。

随着微电子技术的发展，设计师们更愿意自己设计专用集成电路芯片，并尽可能的缩短设计周期，最好是在实验室就能设计合适的ASIC芯片，并且立即投入实际使用之中，在使用中也能比较方便地对设计进行修改。可编程逻辑器件就是为满足这一需求应运而生的。

PLD芯片上的电路和金属引线都是由器件生产厂家做好的，但其逻辑功能在出厂时并没有确定，可由用户根据需要借助于PLD开发工具通过对其“编程”的办法来确定。因此，设计师们不通过器件生产厂家就能自己设计出符合要求的各种ASIC芯片。PLD器件兼有标准逻辑器件速度快、微处理器灵活性好和ASIC集成度高的优点，且大都可以重复编程，为设计和开发带来了极大的方便。

最早出现的可编程逻辑器件是1970年出现的PROM，它由全译码的与阵列和可编程的或阵列组成，其阵列规模大、速度低，主要用途是作为存储器。

20年代70年代中期出现了PLA(Programmable Logic Array可编程逻辑阵列)器件，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成。由于其编程复杂，开发起来有一定难度，因而没有得到广泛的应用。

20世纪70年代末，美国MMI公司推出了PAL (Programmable-Array Logic可编程阵列逻辑)器件，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程方式，双极性工艺制造，器件的工作速度很快。由于它的输出结构种类很多，设计很灵活，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。

20世纪80年代初，Lattice公司发明了GAL(Generic Array Logic通用阵列逻

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辑)，采用输出逻辑宏单元(OLMC)的形式和EECMOS工艺结构，具有可擦除、可重复编程、数据可长期保存和可重新组合结构等优点。GAL比PAL使用更加灵活，它可以取代大部分SSI、MSI和PAL器件，因而在20世纪80年代得到广泛应用，直到现在，人们在设计单片机电路时还经常用它来分配来地址。

20世纪80年代中期，Altera推出了一种新型的可编程逻辑器件EPLD(Erasable Programmable Logic Device)，它采用CMOS和UVEPROM工艺制作，集成度比PAL和GAL高得多，设计也更加灵活，但内部互联能力比较差。1985年Xilinx公司推出了FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)器件，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作，内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑块之间可以灵活地相互连接，具有密度高、编程速度快、设计灵活和可再配置设计能力等许多优点。

20世纪80年代末，Lattice公司提出了ISP公司提出了ISP (In System Programmable在系统可编程)技术。此后相继出现了一系列具备在系统编程能力的CPLD(Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件)。CPLD是在EPLD的基础上发展起来的，采用EECMOS工艺，增加了内部互连线，改进了内部结构体系，比EPLD性能更好.设计更加灵活。

20世纪90年代以后，高密度PLD在生产工艺、器件的编程和测试技术等方面都有了飞速发展。例如CPLD的集成度一般可达到数千甚至是上万门。Altera公司推出的EPM9560，其单密度达到了12000个可用门，包含多达50个宏单元，216个用户I/O引脚，并能提供15ns的脚至脚延时，16位计数的最高频率为118MHz。目前PLD的集成度已达到百万门，最高工作速度达到几百兆Hz，在系统可编程技术、边界扫描技术的出现也使器件在编程技术和测试技术及系统可重构技术方面有了很快的发展。目前众多知名半导体器件公司，如Altera、Xilinx、Lattice等，均可提供不同类型的CPLD、FPGA产品。新的PLD产品不断面世，其性能不断完善，产品日益丰富。

3.2.1PLD的特点

PLD的特点是在进行系统设计时体现出来的，使用PLD设计数字系统会带来许多好处，归结起来主要有以下几点:

(l)集成度高

PLD器件集成度高，一片PLD可替代几片、几十片乃至上百片中小规模的数字集成电路芯片。用PLD器件实现数字系统时所用的芯片数量少，占用印刷电路板面积小。

(2)可靠性高

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