DDS原理与应用 通信工程2002级 李忠琦

自我介绍 通信学院2002级 2005全国大学生电子设计竞赛一等奖 通信楼527 E-Mail： StanleyLee@vip.sina.com

电子设计竞赛 本科阶段最艰苦，收获最大的比赛 拿奖=3人能力*努力程度*意志力*团队意 识*运气 拿奖=3人能力*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

DDS简介 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的数字值。与MatLAB的stem函数相似

MatLAB中 N=[1:0.2:20] stem(N,sin(N))

DDS与外围系统 虚线部分是DDS结构内部 D/A：模数转换器 LPF：Low-Pass Filter 低通滤波器

DDS总体结构 先分部分介绍其结构，后面会讲到总体原理。

相位增量(Phase Increment) Δθ,也称为频率控制字，单纯的无单位（不代表弧度或者角度）无符号数。

相位累加器(Phase Accumulator) 由一个无符号数的加法器和一个寄存器构成，一个时钟周期完成一次加法运算。

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，直接用作后面查找表的地址。

正余弦查找表 (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，系统可自动生成，也可手动写入。

正余弦查找表 (Sine/Cosine Lookup Table) 0000 5000 0001 6913 0010 8536 0011 9619 0100 10000 … 1100 1101 381 1110 1464 1111 3087 举例（随地址空间大小的不同，数值发生相应的变化） 计算公式就是 Y=5000*[sin(X/16*2π)+1] 直流偏移 放大倍数

正余弦查找表 (Sine/Cosine Lookup Table) 0000 5000 0001 6913 0010 8536 0011 9619 0100 10000 … 1100 1101 381 1110 1464 1111 3087

DDS总体原理 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的数值。

输出频率计算公式

输出频率计算举例

实际应用中 通常是知道系统工作时钟，和要求生成的输出频率，需要计算相位增量。

频率分辨率公式 (Frequency Resolution)

频率分辨率计算

相位抖动DDS (Phase Dither DDS)

相位抖动DDS结构 随机抖动序列发生器 不适合电子设计比赛中使用

相位抖动DDS频谱

DDS设计扩展 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（三角波、方波、锯齿波等）

D/A的使用简单介绍 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完成转换，输出模拟信号。

定时器的使用简单介绍 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。

设计实例－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系列单片机，MSP430等单片机实现方法类似。 目标：采用深度为256的查找表，在10KHz的数据输出频率下，实现100Hz~1KHz的正弦波输出。

步骤1 通过MATLAB建立正余弦查找表 f1 = fopen('d:\aaa.txt','w'); fprintf(f1,'%.0f,',255.5*(sin(N/256*2*pi)+1)); fclose(f1)

正余弦查找表 注意最前面的”code”（51用）。MSP430使用”const”。 注意：表有点问题，范围应该是从0~256.

步骤2 计算相位增量 通过宏定义的方式给出数据输出时钟和正弦波频率 定义几个变量 计算出相位增量，将相位累加器清零 注意：上式请自己推导，与课件中公式有点区别．

步骤3 每一次定时器中断输出一个值

设计实例－Xilinx公司FPGA 设计一个使用100MHz时钟产生10MHz正弦波 设计环境使用Xilinx公司的ISE7.1 使用Core Generator生成DDS的IP Core

步骤1 选择生成新的IP Core

步骤2 在“Communication & Networking”-“Modulation”中选中”Direct Digital Synthesizer 5.0”

步骤3 设置必要参数 产生正弦还是余弦 工作时钟频率 频谱纯净度 频率分辨率

步骤4 设置输出频率 输出正余弦波频率 查找表是可写入或系统自动生成

步骤5 设置可选参数 是否使用抖动技术 流水结构 存储器类型

步骤6 给出统计报告

课后练习作业 因为是很基本的东西，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。

题目 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数据输出频率下，产生100Hz~1KHz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。

题目 发展要求： 1、存储表只存放1/4个周期的正弦函数，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。

有兴趣的同学可以安装Xilinx ISE7.1，自行完成FPGA的程序设计（不要求同组一起完成，看个人兴趣）。 答疑在通信楼527 E-mail: StanleyLee@vip.sina.com