基于FPGA+DDS的正弦信號發(fā)生器的設計

　　1971年，美國學(xué)者TIERNCY J、TADER C M和GOLD B在《A Digital Frequeney Synthesizer》一文中提出了以全數字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理，稱(chēng)之為直接數字頻率合成器DDS(Direct Digitial Frequency Synthesis)[1].這是頻率合成技術(shù)的一次重大革命，但限于當時(shí)微電子技術(shù)和數字信號處理技術(shù)的限制，DDS并沒(méi)有得到足夠的重視。隨著(zhù)現代超大規模集成電路集成工藝的高速發(fā)展，數字頻率合成技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍，它在相對帶寬、頻率轉換時(shí)間、相位連續性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標方面，已遠遠超過(guò)了傳統頻率合成技術(shù)所能達到的水平。因此廣泛用于通信、宇航、遙控遙測、儀器儀表等各項電子領(lǐng)域[1-2].

　　目前實(shí)現DDS的技術(shù)方案大致分為兩種，一是用專(zhuān)用的DDS芯片來(lái)實(shí)現。常用的DDS芯片有ADI公司的AD9xxx系列，如其中的AD9913，它具有高達100 MHz的模擬輸出，內部集成一個(gè)10位的D/A轉換器，頻率分辨率≥0.058 Hz，相調諧分辨率為0.022°[3].另一種是用FPGA來(lái)實(shí)現?？删幊痰?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA器件具有內部資源豐富、處理速度快、可在系統內編程并有強大的EDA設計軟件支持等特點(diǎn)。因此，基于FPGA的設計相對于專(zhuān)用DDS芯片，可使電路設計更加靈活、提高系統的可靠性、縮短設計周期、降低成本。所以，采用FPGA設計的DDS系統具有很高的性?xún)r(jià)比。

　　1 DDS基本原理

　　直接數字頻率合成的理論依據是采樣定理，即先對一個(gè)完整周期的正弦波進(jìn)行N點(diǎn)采樣，然后把采樣點(diǎn)存儲在ROM中構成一個(gè)查找表，頻率合成時(shí)，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下控制ROM中數據的輸出。ROM的輸出經(jīng)過(guò)D/A轉換，將一個(gè)階梯化的信號(即采樣信號)通過(guò)一個(gè)理想的低通濾波器，就得到符合要求的模擬信號。

　　DDS的基本結構如圖1所示，主要由相位累加器、相位調制器、波形ROM查找表、DAC和低通濾波器(LPF)構成。其中相位累加器、相位調制器、波形ROM查找表是DDS結構中的數字部分，由于具有數控頻率合成的功能，又合稱(chēng)為NCO(Numerically Controlled Oscillators)。

　　2 DDS波形發(fā)生器的系統設計

　　本系統分為軟件設計和硬件設計兩部分，軟件部分主要是基于FPGA的程序設計，硬件部分包括D/A轉換和低通濾波器設計。

　　2.1 VHDL程序設計

　　2.1.1定制波形數據文件

　　在設計DDS信號源之前，先建立一個(gè)儲存波形數據的ROM，儲存波形數據文件有。mif和。hex兩種格式。。mif和。hex格式的文件可以用Quartuas II建立，也可以用Quartuas II以外的編輯器設計，如MATLAB、C語(yǔ)言等。本系統的ROM文件一個(gè)周期有1 024個(gè)點(diǎn)的正弦波數據、10 bit地址線(xiàn)和10 bit數據線(xiàn)。

　　圖2 DDS的軟件設計框圖