基于FPGA和DDS的信號(hào)源研究與設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Synthesizer)是基于奈奎斯特抽樣定理理論和現(xiàn)代器件生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的一種新的頻率合成技術(shù)。與第二代基于鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)相比，DDS具有頻率切換時(shí)間短、頻率分辨率高、相位可連續(xù)變化和輸出波形靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于教學(xué)科研、通信、雷達(dá)、自動(dòng)控制和電子測(cè)量等領(lǐng)域。該技術(shù)的常用方法是利用性能優(yōu)良的DDS專(zhuān)用器件，“搭積木”式設(shè)計(jì)電路，這種“搭積木”式設(shè)計(jì)電路方法雖然直觀(guān)，但DDS專(zhuān)用器件價(jià)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(yīng)用場(chǎng)合。隨著高速可編程邏輯器件FPGA的發(fā)展，電子工程師可根據(jù)實(shí)際需求，在單一FPGA上開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的具有任意波形的DDS系統(tǒng)，極大限度地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程并提高效率。本文在討論DDS的基礎(chǔ)上，介紹利用FPGA設(shè)計(jì)的基于DDS的信號(hào)發(fā)生器。

　　2 DDS技術(shù)工作原理

　　DDS是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的數(shù)字頻率合成技術(shù)，主要通過(guò)查波形表實(shí)現(xiàn)。由奈奎斯特抽樣定理理論可知，當(dāng)抽樣頻率大于被抽樣信號(hào)的最高頻率2倍時(shí)，通過(guò)抽樣得到的數(shù)字信號(hào)可通過(guò)一個(gè)低通濾波器還原成原來(lái)的信號(hào)。DDS信號(hào)發(fā)生器，主要由相位累加器、相位寄存器、波形存儲(chǔ)器、D／A轉(zhuǎn)換器和模擬低通濾波器組成如圖1所示。fR為參考時(shí)鐘，K為輸入頻率控制字，其值與輸出頻率相對(duì)應(yīng)，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(xiě)入。

　　由圖1可知，在參考時(shí)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(yùn)算，并把計(jì)算結(jié)果寄存于相位寄存器，作為下一次加運(yùn)算的一個(gè)輸入值。相位累加器輸出高位數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的相位抽樣地址值，查找波形存儲(chǔ)器中相對(duì)應(yīng)單元的電壓幅值，得到波形二進(jìn)制編碼，實(shí)現(xiàn)相位到電壓幅值的轉(zhuǎn)變。波形二進(jìn)制編碼再通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。低通濾波器可進(jìn)一步濾除模擬信號(hào)中的高頻成分，平滑模擬信號(hào)。在整個(gè)過(guò)程中，當(dāng)相位累加器產(chǎn)生一次溢出時(shí)，DDS系統(tǒng)就完成一個(gè)周期輸出任務(wù)。頻率控制字K與輸出波形頻率的函數(shù)表達(dá)關(guān)系式為：

f0=(K/2N)fR (1)

　　式中，K為頻率控制字；fR為參考時(shí)鐘，N為累加器的位寬值。

　　當(dāng)K=l時(shí)，可得DDS的最小分辨率為：

fmin=fR/2 (2)

　　為了得到較小分辨率，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，N一般取得較大值，該系統(tǒng)是N取32位設(shè)計(jì)的。

　　3 關(guān)鍵器件選型

　　本設(shè)計(jì)所用到的關(guān)鍵器件主要是可編程邏輯器件(FPGA)和D／A轉(zhuǎn)換器?？紤]設(shè)計(jì)成本等因素，F(xiàn)PGA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(jié)構(gòu)，內(nèi)核采用1．5 V電壓供電，是低功耗元件。此外，Cyclone系列EPlC60240C8內(nèi)部資源豐富，其內(nèi)部?jī)?nèi)嵌5 980個(gè)邏輯單元(LE)，20個(gè)4 KB雙口存儲(chǔ)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(mǎn)足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。而D／A轉(zhuǎn)換器則采用National Semiconductor公司的DAC0832。

　　4 DDS的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　4．1 相位累加器與相位寄存器的設(shè)計(jì)

　　相位累加器與相位寄存器主要完成累加，實(shí)現(xiàn)輸出波形頻率可調(diào)功能。利用Quartus II可編程邏輯器件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，打開(kāi)Quartus II軟件，新建一個(gè)工程管理文件，然后在此工程管理文件中新建一個(gè)Verilog HDL源程序文件，并用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)其功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可在一個(gè)模塊中描述。一個(gè)參考的Verilog HDL程序如下：