基于SOPC的DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘 要：直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是一種新型的信號(hào)產(chǎn)生方法，是現(xiàn)代信號(hào)源的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由FPGA 控制模塊、鍵盤(pán)、LED 顯示組成，結(jié)合DDS 的結(jié)構(gòu)和原理，采用SOPC 和DDS 技術(shù)，設(shè)計(jì)出具有頻率設(shè)置功能的多波形信號(hào)發(fā)生器。以Altera 公司的CycloneⅡ的核心器件EP2C35 為例，NIOS ⅡCPU 通過(guò)讀取按鍵的值，實(shí)現(xiàn)任意步進(jìn)、不同波形的輸出顯示功能。

　　0 引 言

　　直接數(shù)字頻率合成( Dir ect Dig ital Frequency Synthesis，DDS) 是一種新型的頻率合成技術(shù)，它把信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度提高到與基準(zhǔn)頻率相同的水平，并且可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)。在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中，DDS 的應(yīng)用極其廣泛。實(shí)現(xiàn)DDS 常用的方法是采用專(zhuān)用的DDS 芯片，控制部分采用獨(dú)立的MCU ，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)的集成度和擴(kuò)展性不盡人意。隨著大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的推出，SOPC 的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員可以在FPGA 的嵌入式軟核處理器上設(shè)計(jì)各種系統(tǒng)，滿(mǎn)足用戶(hù)需求。本文基于SOPC 技術(shù)設(shè)計(jì)直接數(shù)字頻率合成器，選用A ltera公司的新一代FPGA( Cyclone Ⅱ) 為核心，利用FPGA的邏輯單元實(shí)現(xiàn)相位累加等數(shù)字邏輯功能，在ROM 中分別放入正弦表、方波表、三角波表、鋸齒波表，用軟核CPU 做控制，實(shí)現(xiàn)頻率、相位、波形選擇等。這樣可以大大減小處理器外圍擴(kuò)展電路數(shù)目，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，節(jié)省了內(nèi)部資源。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用SOPC 設(shè)計(jì)方案。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由頻率預(yù)置電路、波形選擇、波形頻率控制、累加器、存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器和D/ A 轉(zhuǎn)換電路、濾波電路組成。累加器模塊由10 位加法器與10 位寄存器級(jí)聯(lián)而成。波形存儲(chǔ)器中放入正弦波、方波、三角波、鋸齒波的數(shù)據(jù)。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

　　1. 1 DDS 基本工作原理

　　DDS 的基本原理是利用采樣定理，通過(guò)查表法產(chǎn)生波形。一個(gè)完整DDS 結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 DDS 結(jié)構(gòu)圖

　　相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘上升沿與頻率控制字K累加一次，當(dāng)累加器計(jì)數(shù)大于2N 時(shí)，相位累加器相當(dāng)于進(jìn)行一次取模運(yùn)算。在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，根據(jù)送給ROM 的地址，取出ROM 中與該地址相對(duì)應(yīng)的波形的數(shù)據(jù)，讀取出ROM 中的數(shù)據(jù)后通過(guò)D/ A 轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，通過(guò)低通濾波電路，可輸出一個(gè)平滑的波形。

　　假設(shè)頻率為f c 的載波，它的時(shí)域表達(dá)式為：

　　其相位表達(dá)式為：

　　輸出頻率f 0 與時(shí)鐘頻率f clk之間的關(guān)系滿(mǎn)足：

　　當(dāng)K = 1 時(shí)，DDS 有最小頻率輸出，因此DDS 的步長(zhǎng)為f clk / 2N ，最大輸出頻率為f clk / 2。在本設(shè)計(jì)中，將N 設(shè)定為10 位，M 設(shè)定為12 位，相位累加器在時(shí)鐘的控制下，以步長(zhǎng)K 進(jìn)行累加，輸出N 位二進(jìn)制碼，并以其作為波形ROM 的地址，對(duì)波形存儲(chǔ)器ROM 尋址,波形存儲(chǔ)器ROM 輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)D/ A 轉(zhuǎn)換成階梯波后，經(jīng)過(guò)低通濾波器平滑后，便得到合成后的波形了，合成后的波形形狀取決于波形選取和ROM 中的數(shù)據(jù)。