基于FPGA和DDS的數(shù)控信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 以FPGA為核心，根據(jù)DDS原理設(shè)計(jì)數(shù)控信號(hào)源，采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各功能模塊。該信號(hào)源可輸出正弦渡、方波和三角波，輸出信號(hào)的頻率以數(shù)控方式調(diào)節(jié)，幅度連續(xù)可調(diào)。與傳統(tǒng)信號(hào)源相比，該信號(hào)源具有波形質(zhì)量好、精度高、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔、易于實(shí)現(xiàn)、便于擴(kuò)展與維護(hù)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 信號(hào)源；DDS技術(shù)；FPGA；數(shù)控方式

信號(hào)源輸出信號(hào)可作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和用戶自定義信號(hào)而成為電氣電子各領(lǐng)域，如自動(dòng)控制、通信電子、電子對(duì)抗、航空航天等，以及科研測(cè)試中必不可少的電子測(cè)量和計(jì)量設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對(duì)信號(hào)源的頻率精度和穩(wěn)定度、頻率范圍等要求也越來(lái)越高。
傳統(tǒng)信號(hào)源通常利用石英晶體振蕩電路、RC振蕩電路或LC振蕩電路實(shí)現(xiàn)，電路構(gòu)造復(fù)雜、頻率范圍較窄、精度和穩(wěn)定度較低、且調(diào)節(jié)不方便、電路易于損壞、維護(hù)困難。目前直接數(shù)字頻率合成器DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)是一種主流的頻率源合成技術(shù)。 DDS具有頻率分辨率高、頻率切換時(shí)間短、相位變換連續(xù)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有基于DDS技術(shù)的信號(hào)源實(shí)現(xiàn)方案可分為兩大類(lèi)：(1)以DDS專(zhuān)用芯片為核心，單片機(jī)為控制模塊。(2)以FPGA為核心完成DDS功能，單片機(jī)作為控制部分。由于DDS專(zhuān)用芯片并不具備LFM功能，而且只能以固定的方式工作，因此第一種方案缺乏靈活性。第二種方案涉及兩種編程語(yǔ)言一一匯編語(yǔ)言和硬件編程語(yǔ)言，顯然增加了方案的難度和復(fù)雜度，同時(shí)硬件系統(tǒng)也較復(fù)雜，不利于擴(kuò)展與維護(hù)。
文中根據(jù)DDS原理，以FPGA為核心，輔以簡(jiǎn)單的外圍電路完成數(shù)控信號(hào)源的方案設(shè)計(jì)，各功能模塊利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，在FPGA中實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)方案既簡(jiǎn)單方便、易于實(shí)現(xiàn)且靈活。

1 設(shè)計(jì)方案及工作原理
1．1 設(shè)計(jì)方案
設(shè)計(jì)方案如圖1所示，包括DDS、DAC、LPF、放大、幅度控制、頻率設(shè)置、波形選擇和顯示等模塊。其中，DDS模塊是核心部分，用于產(chǎn)生各種波形數(shù)據(jù)。DAC及LPF模塊將DDS輸出的波形數(shù)字值轉(zhuǎn)換成模擬值，并通過(guò)低通濾波得到平滑的波形信號(hào)。幅度控制模塊則控制輸出波形的幅度。頻率設(shè)置模塊控制輸出波形的頻率，可采用數(shù)控方式調(diào)節(jié)。顯示模塊可顯示輸出波形頻率和波形種類(lèi)。

圖1中的DDS模塊、頻率設(shè)置、波形選擇、顯示控制模塊均在FPGA上實(shí)現(xiàn)，用VHDL語(yǔ)言完成設(shè)計(jì)，只有DAC、LPF、放大、顯示器件和輸入器件需要外接電路實(shí)現(xiàn)，因此硬件系統(tǒng)較為簡(jiǎn)潔。
1．2 工作原理
設(shè)計(jì)的基本原理是DDS技術(shù)。DDS是基于查找表思想，事先把波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于ROM表中，然后相位累加器輸出作為地址信號(hào)，讀出波形數(shù)據(jù)。但為避免因累加器溢出后下次累加舍掉余值而產(chǎn)生的頻率誤差，以及累加器高位不同步引起的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)問(wèn)題，文中根據(jù)李曉芳等人提出的DDS算法優(yōu)化思路來(lái)設(shè)計(jì)DDS結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的DDS結(jié)構(gòu)如圖2所示。相位累加器在系統(tǒng)時(shí)鐘fclk的作用下，以頻率控制字Fword在為步長(zhǎng)不斷累積，其溢出信號(hào)pvo作為地址信號(hào)發(fā)生器的時(shí)鐘。地址信號(hào)發(fā)生器實(shí)際是以pvo為觸發(fā)脈沖的計(jì)數(shù)器，其輸出信號(hào)作為ROM表的地址信號(hào)。圖2中同步寄存器的作用是保證頻率字改變時(shí)不會(huì)影響累加器的正常工作。