基于DDS技術(shù)的任意波形發(fā)生器研究與設計

由圖l看出，除了濾波器(LPF)之外，DDS系統都是以數字集成電路實(shí)現，因此DDS系統易于集成和小型化。DDS系統的參考時(shí)鐘源通常是一個(gè)具有高穩定性的晶體振蕩器，整個(gè)系統的各個(gè)組成部分提供同步時(shí)鐘。頻率字(FSW)實(shí)際上是相位增量值(二進(jìn)制編碼)，作為相位累加器的累加值。相位累加器在每一個(gè)參考時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，累加一次頻率字，其輸出相應增加一個(gè)步長(cháng)的相位增量。由于相位累加器的輸出連接在波形存儲器(ROM)的地址線(xiàn)上，因此其輸出的改變就相當于查表。這樣就可把存儲在波形存儲器內的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出。ROM的輸出送到D／A轉換器，經(jīng)D／A轉換器轉換成模擬量輸出。
1．2 DDS的基本參數及其計算
在系統時(shí)鐘脈沖的作用下，相位累加器不停累加，即不停查表，把波形數據送到D／A轉換器轉換成模擬量輸出，從而合成波形。濾波器則進(jìn)一步平滑D／A轉換器輸出的近似正弦波的鋸齒階梯波，同時(shí)衰減不必要的雜散信號。設頻率字(FSW)的值為d，系統時(shí)鐘頻率為f，相位累加器的字長(cháng)為N，則系統的輸出頻率為：

2 任意波形發(fā)生器的設計方案
基于DDS技術(shù)的任意波形發(fā)生器主要由微處理器控制模塊、鍵盤(pán)與顯示模塊、DDS通道的FPGA實(shí)現模塊、D／A轉換模塊以及濾波器模塊組成。同時(shí)片外擴展了4 KB程序存儲器SRAM和6 KB數據存儲器ROM，分別用于存儲波形抽樣數據和3種標準輸出波形抽樣數據。本系統設計原理如圖2所示。

2．1 微處理器控制模塊
采用AT89C5l單片機完成數據處理和控制其他電路工作。將鍵盤(pán)接收的數據通過(guò)特定算法轉換成二進(jìn)制碼，再將處理后的控制字、波形參數和其他器件的控制信號發(fā)送出去。
由于A(yíng)T89C5l單片機主要接口有：微處理器與擴展器件的接口；微處理器與FPGA模塊的接口；微處理器與鍵盤(pán)、顯示模塊的接口；微處理器與輸出幅值調節電路的接口。由于單片機的輸出引腳有限，需擴展其引腳。本設計采用8255器件擴展單片機的輸出引腳，8255的PA用于相位控制字的輸出；PB用于頻率控制字的輸出；PC是位可控輸出端，用于DDS工作方式的控制字和波形參數的控制字輸出引腳。AT89C5l單片機與FPGA的接口電路如圖3所示。

2．2 鍵盤(pán)與顯示模塊
由于本系統設計的測量裝置需要設置輸出波形、頻率、電壓等參數，而且監控程序需要菜單驅動(dòng)，因此需要設置鍵盤(pán)。鍵盤(pán)采用外接44軟鍵盤(pán)，使用軟件掃描方式獲得按鍵信息。因為按鍵需要去抖動(dòng)，因此采用軟件編程方式實(shí)現，這樣可以節省硬件資源，簡(jiǎn)化電路設計。
液晶顯示可提供人機交互界面和系統運行狀態(tài)，選用精工的MGLS 19264液晶顯示屏。該液晶顯示屏內置2塊HD61202U液晶顯示驅動(dòng)控制器。其中CSA，CSB作為左、右屏片選信號，接單片機A8、A9引腳。同時(shí)單片機用地址Al作為R／W信號控制數據總線(xiàn)的數據流向；地址AO作為D／I信號控制寄存器的選擇；E信號由單片機的讀信號RD和寫(xiě)信號WR合成產(chǎn)生，實(shí)現計算機對內置HD61202U圖形液晶顯示模塊的電路連接。電位器用來(lái)調節顯示屏的對比度，如圖4所示。液晶顯示左半屏命令字地址為0EOOH；狀態(tài)字地址為0EIOH；寫(xiě)顯示命令字地址為0E0lH；讀顯示命令字地址為0EllH；右半屏對應地址為0D00H、0D10H、0D0lH、0DllH。

2．3 DDS通道的FPGA實(shí)現模塊
該模塊設計是DDS信號合成的關(guān)鍵部分，主要由相位累加器、地址總線(xiàn)控制器、數據總線(xiàn)控制器與SRAM組成。其中，除了SRAM外，其余3個(gè)模塊都由FPGA實(shí)現。
相位累加器是整個(gè)DDS系統的關(guān)鍵，直接影響整個(gè)系統的功能。圖5給出的FPGA結構框圖中相位累加器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶反饋的29位加法器，它把輸出數據作為反饋數據和由微處理器送來(lái)的頻率控制字連續相加，從而產(chǎn)生有規律的29位相位地址碼。設計中采用流水線(xiàn)技術(shù)實(shí)現29位加法。當輸入所需頻率時(shí)，轉換成頻率控制字來(lái)驅動(dòng)FPGA工作，從而產(chǎn)生所需波形頻率。整個(gè)模塊設計過(guò)程使用FPGA的開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現并進(jìn)行仿真。

2．4 D／A轉換模塊
D／A轉換器是DDS系統的核心器件，其速度和特性直接影響整個(gè)系統的性能。從建立時(shí)間、尖峰脈沖能量、位數和積分線(xiàn)性等四個(gè)方面選擇D／A轉換器。因為DDS系統的工作頻率一般都很高，因此首先應選用高速D／A轉換器。其次是考慮信噪比問(wèn)題，增大D／A轉換器的位數，可減小電壓幅值量化誤差，增大信噪比，因此，采用了12位的D／A轉換器。
2．5 濾波器模塊
濾波器分為兩組：一組是橢圓函數濾波器，用于正弦波的濾波；另一組是線(xiàn)性濾波器，用于其他標準波形的濾波。

3 結語(yǔ)
本系統設計的DDS電路采用FPGA實(shí)現，單片機控制整個(gè)系統，產(chǎn)生任意波形。因此，基于DDS技術(shù)的波形發(fā)生器結構簡(jiǎn)單，成本低，而且提高了信號源輸出信號的分辨率。使用FPGA設計的DDS電路要比采用專(zhuān)用DDS器件更靈活，性?xún)r(jià)比更高。但在設計時(shí)應注意線(xiàn)路板的布線(xiàn)，以減少外界干擾，降低輸出信號的雜散性。