DDS一般指DDS信號發生器，其采用直接數字頻率合成(Direct Digital Synthesis，簡稱DDS)技術，與第二代基于鎖相環頻率合成技術相比，DDS具有頻率切換時間短、頻率分辨率高、相位可連續變化和輸出波形靈活等優點。該技術的常用方法是利用性能優良的DDS專用器件，“搭積木”式設計電路，這種“搭積木”式設計電路方法雖然直觀，但DDS專用器件價格較貴，輸出波形單一，使用受到一定限制，特別不適合于輸出波形多樣化的應用場合。隨著高速可編程邏輯器件FPGA的發展，電子工程師可根據實際需求，在單一FPGA上開發出性能優良的具有任意波形的DDS系統，極大限度地簡化設計過程并提高效率。因此本文介紹了利用FPGA設計的基于DDS的信號發生器。
1.DDS技術原理
DDS是一種從相位概念出發直接合成所需波形的數字頻率合成技術，主要通過查波形表實現。由奈奎斯特抽樣定理理論可知，當抽樣頻率大于被抽樣信號的頻率2倍時，通過抽樣得到的數字信號可通過一個低通濾波器還原成原來的信號。DDS信號發生器，主要由相位累加器、相位寄存器、波形存儲器、D/A轉換器和模擬低通濾波器組成如圖1所示。fR為參考時鐘，K為輸入頻率控制字，其值與輸出頻率相對應，因此，控制輸入控制字K，就能有效控制輸出頻率值。通常情況下，K值由控制器寫入。
圖1 DDS信號發生器組成原理
由圖1可知，在參考時鐘fR的控制下，頻率控制字K與相位寄存器的輸出反饋在相位累加器中完成加運算，并把計算結果寄存于相位寄存器，作為下加運算的一個輸入值。相位累加器輸出高位數據作為波形存儲器的相位抽樣地址值，查找波形存儲器中相對應單元的電壓幅值，得到波形二進制編碼，實現相位到電壓幅值的轉變。波形二進制編碼再通過D/A轉換器，把數字信號轉換成相應的模擬信號。低通濾波器可進一步濾除模擬信號中的高頻成分，平滑模擬信號。在整個過程中，當相位累加器產生溢出時，DDS系統就完成一個周期輸出任務。頻率控制字K與輸出波形頻率的函數表達關系式為：
f0=(K/2N)fR (1)
式中，K為頻率控制字;fR為參考時鐘，N為累加器的位寬值。
當K=l時，可得DDS的分辨率為：
fmin=fR/2 (2)
為了得到較小分辨率，在實際工程設計中，N一般取得較大值，該系統是N取32位設計的。
2.器件選擇
本設計所用到的關鍵器件主要是可編程邏輯器件(FPGA)和D/A轉換器。考慮設計成本等因素，FPGA采用Altera公司的低成本Cyclone系列EPlC6Q240C8。該器件采用邏輯陣列模塊(LAB)和查找表(LUT)結構，內核采用1.5 V電壓供電，是低功耗元件。此外，Cyclone系列EPlC60240C8內部資源豐富，其內部內嵌5 980個邏輯單元(LE)，20個4 KB雙口存儲單元(M 4 KB RAM block)和92 160 bit普通高速RAM等資源，因此，能較好滿足該系統設計要求。而D/A轉換器則采用National Semiconductor公司的DAC0832。
3.DDS的FPGA實現
3.1相位累加器與相位寄存器的設計
相位累加器與相位寄存器主要完成累加，實現輸出波形頻率可調功能。利用Quartus II可編程邏輯器件系統開發工具進行設計。首先，打開Quartus II軟件，新建一個工程管理文件，然后在此工程管理文件中新建一個Verilog HDL源程序文件，并用硬件描述語言Verilog HDL編寫程序實現其功能。在設計過程中，可在一個模塊中描述。一個參考的Verilog HDL程序如下：
3.2基于1/4波形的存儲器設計
為了提高系統的分辨率和降低FPGA資源的利用率，采用基于1/4波形的存儲器設計技術。利用正弦波對稱性特點，只要存儲[O～π/2]幅值，通過地址和幅值數據變換，即可得到整個周期內的正弦波，其設計原理如圖2所示。
圖2 波形的存儲器設計原理圖
用相位累加器輸出高2位，作為波形區間標志位。當位與次高位都為“0”時，表示輸出正弦波正處在[0～π/2]區間內，這時，地址與輸出數據都不需要變換;當位為“0”，次高位為“l”時，輸出正弦波正處在[π/2~π]區間內，這時，地址變換器對地址進行求補操作，而輸出數據不變;當位為“l”，次高位為“0”時，輸出正弦波正處在[π～3π/2]區間內，這時，地址不變，而輸出變換器對輸出數據進行求補操作;當位與次高位都為“l”時，輸出正弦波正處在[3π/2~2π]區間內，這時，地址和輸出數據都進行求補操作。
4.D/A轉換電路
數據轉換器輸出的數據是數字形式的電壓值，為實現數字電壓值與模擬電壓值之間的轉換，系統還專門設計D/A轉換電路，其D/A轉換電路原理圖如圖3所示。
圖3 D/A轉換電路
為降低設計成本，采用8位廉價DAC0832作為轉換器。該器件是倒T型電阻網絡型D/A轉換器，因其內部無運算放大器，輸出為電流，所以要外接運算放大器，本文采用LM324型運算放大器。DAC0832可根據實際情況接成雙緩沖、單緩沖和直沖3種形式，這里采用第3種連接形式，即引腳1、引腳2、引腳17、引腳18接低電平，引腳19接+5 V。引腳8為參考電壓輸入端口.接至+1O V的電源，當數字輸入端全為高電平時，模擬輸出端為+10 V。
5.驗證結果
為驗證本系統的設計正確性，利用Ouarlus II軟件的嵌入式邏輯分析儀分析信號的波形。在工程管理文件中，首先新建一個SignalTap文件，并在SignalTap文件中添加要驗證的信號引腳和設置相關的參數，然后保存、編譯和到EPlC6Q240C8中，再啟動嵌入式邏輯分析儀就可實時觀察到相應的引腳波形，圖4為在硬件環境中應用嵌入式邏輯分析儀觀察到的波形。其中，圖4a為由DDS硬件合成的正弦波形;圖4b為由DDS硬件合成的矩形波形;圖4c為由DDS硬件合成的三角波形。觀察結果表明，該系統輸出的各種波形穩定，與設計要求一致，從而有效驗證了該設計的正確性。
圖4 DDS信號波形
總結
以上就是基于FPGA與DDS的信號源實現設計介紹了。直接數字頻率合成(DDS)技術屬第三代頻率合成技術，與第二代基于鎖相環頻率合成技術相比，利用DDS技術合成的輸出波形具有良好的性能指標;并從測試結果可看出，該系統工作穩定、可靠，并具有較好的參考與實用價值。
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