利用單片機(jī)和CPLD實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成（DDS）

直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)是美國(guó)學(xué)者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold在1971年首次提出的。這是一種全數(shù)字技術(shù)，該技術(shù)從相位概念出發(fā)直接合成所需要的波形。同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)：頻率切換時(shí)間短、頻率分辨率高、相位變化連續(xù)、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的多種調(diào)制等［5］。但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)以及器件水平的限制，它的性能指標(biāo)還無法與已有的技術(shù)相比，因此該技術(shù)當(dāng)時(shí)并沒有引起足夠的重視。最近幾年來，隨著技術(shù)和器件水平的提高，國(guó)外一些公司先后推出各種各樣的DDS專用芯片,如 Qualcomm公司的Q2230、Q2334, AD公司的AD9955、AD9850等［3］。這些產(chǎn)品的問世，為電路設(shè)計(jì)者提供了良機(jī)，滿足了工程實(shí)際的需要。然而，商用DDS專用電路芯片也有它的的局限性，并不能滿足所有要求。例如，在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻（LFM）等復(fù)雜的調(diào)制功能時(shí)，利用現(xiàn)有的商用芯片就會(huì)遇到一些困難［8］。由于近幾年來可編程器件CPLD 、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使用可編程器件實(shí)現(xiàn)DDS技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注。

1 DDS工作原理

DDS工作原理框圖如圖1所示，其實(shí)質(zhì)是以參考頻率源（系統(tǒng)時(shí)鐘）對(duì)相位進(jìn)行等可控間隔的采樣。由圖1可見，DDS包括由相位累加器和ROM查詢表構(gòu)成的數(shù)控振蕩源（NCO）、DAC以及低通濾波器（LPF）3部分。在每一個(gè)時(shí)鐘周期，N位相位累加器與其反饋值進(jìn)行累加，其結(jié)果的高M(jìn)位作為ROM查詢表的地址，然后從ROM中讀出相應(yīng)的幅度值送到DAC。低通濾波器LPF用于濾除DAC輸出中的高次諧波。因此通過改變頻率控制字K就可以改變輸出頻率fout。容易得到輸出頻率fout與頻率控制字K的關(guān)系為：fout=Kfc/2N，其中fc為相位累加器的時(shí)鐘頻率，N為相位累加器的位數(shù)。定義當(dāng)K=1為系統(tǒng)頻率分辨率，即。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，本系統(tǒng)主要由單片機(jī)部分、DDS主通道部分、鍵盤及顯示部分以及輸出信號(hào)調(diào)理等部分組成。

單片機(jī)芯片采用的是比較常見的AT80C31芯片。同時(shí)片外還各擴(kuò)展了1片程序存儲(chǔ)器2764與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264，分別用來存放運(yùn)行中所需的程序與隨機(jī)數(shù)據(jù)。

DDS主通道部分是我們?cè)O(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，該部分主要由相位累加模塊、地址總線控制模塊、數(shù)據(jù)總線控制模塊與波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EPROM、SRAM等組成。其中相位累加模塊、地址總線控制模塊和數(shù)據(jù)總線控制模塊都是在CPLD上實(shí)現(xiàn)，采用的芯片是ALTERA公司的FLEX10K系列器件。我們將所需要合成的波形采樣數(shù)據(jù)固化在EPROM 2764中，但是我們知道EPROM的讀周期比較長(zhǎng)，很難滿足系統(tǒng)的訪問時(shí)間要求。因此設(shè)計(jì)中又使用了1片HSRAM，在DDS系統(tǒng)合成波形的過程中，代替ROM進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的快速查詢。

鍵盤和顯示部分是系統(tǒng)和用戶進(jìn)行交互的重要手段。這一部分的邏輯功能，也是在CPLD上實(shí)現(xiàn)的。

輸出信號(hào)調(diào)理部分是把從HSRAM中讀出的波形的數(shù)字幅度值首先轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后再進(jìn)行放大、濾波處理后輸出。這一部份包括D/A轉(zhuǎn)換器、幅度放大器和濾波器。DAC器件采用AD公司的12位AD9713B，該器件特點(diǎn)是具有較高的更新速率（100 MSPS）和較低的功耗（725 mW）［1］,因此特別適合于DDS信號(hào)合成。幅度調(diào)節(jié)電路使用的是雙極性放大器AD708、AD9617和AD9713所組成的電路。

3 系統(tǒng)總體工作狀態(tài)說明

前面已經(jīng)提到過，由于EPROM的讀取時(shí)間比較長(zhǎng)，很難滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求，因此在系統(tǒng)中又增加了1片高速SRAM，作為波形數(shù)據(jù)緩存器。這樣，系統(tǒng)就有兩個(gè)工作狀態(tài)：首先，系統(tǒng)開始工作時(shí)，需要將波形數(shù)據(jù)從EPROM調(diào)到HSRAM中，即波形數(shù)據(jù)的加載狀態(tài)；數(shù)據(jù)加載完畢后，按照DDS合成原理進(jìn)行信號(hào)合成，即信號(hào)的合成狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)的P1口控制這兩種工作狀態(tài)之間的切換。

3.1 波形數(shù)據(jù)的加載

單片機(jī)系統(tǒng)上電自檢完畢后，開始進(jìn)行波形數(shù)據(jù)加載過程。此時(shí)，地址總線控制模塊和數(shù)據(jù)總線控制模塊，將總線的控制權(quán)交給單片機(jī)系統(tǒng)。在該過程中，EPROM處于讀狀態(tài)，而SRAM為寫狀態(tài)。8031 按照EPROM、SRAM的時(shí)序要求，將8 k的波形數(shù)據(jù)從EPROM加載到HSRAM中。該過程大概需要幾毫秒時(shí)間。

由此我們知道,用這種方法不僅能夠合成標(biāo)準(zhǔn)波形（如：正弦波、方波、三角波等），而且還可以合成各種非標(biāo)準(zhǔn)波形。對(duì)此我們只要通過數(shù)據(jù)采集器或PC機(jī)獲得8 K的波形數(shù)據(jù)，然后存入到EPROM中，就可以按所需要的頻率輸出相應(yīng)波形。

3.2 波形合成電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)波形數(shù)據(jù)加載完畢后，系統(tǒng)就可以進(jìn)行信號(hào)合成。單片機(jī)將接收到的頻率值轉(zhuǎn)換成頻率控制字，送到相位累加器。相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行相位累加，然后將每次的累加和作為地址去尋址SRAM，讀出與該地址所對(duì)應(yīng)的波形幅度值，然后送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，最后經(jīng)幅度放大、濾波輸出。