基于FPGA和DDS技術的正弦信號發(fā)生器設計,O 引言1971年，美國學者J．Tierney等人撰寫的《A Digital Frequency S

O 引言

1971年，美國學者J．Tierney等人撰寫的《A Digital Frequency Synthesizer》一文首次提出了以全數(shù)字技術，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新合成原理。限于當時的技術，沒有得到重視，但隨著微電子技術的迅速發(fā)展，它以有別于其他頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術的佼佼者，具體體現(xiàn)在相對帶寬寬，頻率轉換時間短，頻率分辨率高，輸出相位連續(xù)，可產(chǎn)生多種調制信號，控制靈活方便。因此，對于正弦信號發(fā)生器的設計，可以采用DDS，即直接數(shù)字頻率合成方案實現(xiàn)。DDS的輸出頻率是數(shù)字可調的，完全能實現(xiàn)頻率為1 kHz～10 MHz之間的正弦信號，這是實際應用中產(chǎn)生可調頻率正弦信號波形較為理想的方案。實現(xiàn)DDS常用3種技術方案：高性能DDS單片電路的解決方案；低頻正弦波DDS單片電路的解決方案；自行設計的基于FPGA芯片的解決方案。雖然有的專用DDS芯片的功能也比較多，但控制方式卻是固定的，因此不一定滿足用戶需求。而基于FPGA則可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能，具有良好的實用性。專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝，內(nèi)部數(shù)字信號抖動很小，可以輸出高質量的模擬信號；利用FPGA也能輸出較高質量的信號，雖然達不到專用DDS芯片的水平，但信號精度誤差非常小，能滿足大多數(shù)信號源要求。DDS是本系統(tǒng)的關鍵技術，在介紹本系統(tǒng)之前，先單獨介紹DDS的原理。

l DDS電路工作原理

1．1 DDS的工作原理

DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波。如圖1所示，電路一般包括基準時鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度／相位轉換電路、D／A轉換器和低通濾波器(LPF)。頻率累加器對輸入信號進行累加運算，產(chǎn)生頻率控制數(shù)據(jù)X(frequency data或相位步進量)。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級聯(lián)而成，對代表頻率的二進制碼進行累加運算，是典型的反饋電路，產(chǎn)生累加結果Y。幅度／相位轉換電路實質上是一個波形寄存器，以供查表使用。讀出的波形數(shù)據(jù)送入D／A轉換器和低通濾波器轉換成符合要求的模擬信號。

1．2 具體工作過程

信號產(chǎn)生過程：如圖1所示，N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)X與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)在時鐘脈沖Fclk控制下相加，把相加后的結果Y送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)X相加；另一方面將這個值作為取樣地址值送入幅度／相位轉換電路(即圖1中的波形存儲器)，幅度／相位轉換電路根據(jù)這個地址輸出相應的波形數(shù)據(jù)。最后經(jīng)D／A轉換器和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)處理成所需要的模擬波形。相位累加器在基準時鐘的作用下，進行線性相位累加，當相位累加器加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，這樣就完成了一個周期，這個周期也就是DDS信號的一頻率周期。 DDS輸出信號的頻率由下式給定：

假定基準時鐘為70 MHz，累加器為16位，則：

再假定X=4 096，則Fout=(4 096／65 536)×70=4．375 MHz。

可見，通過設定相位累加器位數(shù)、頻率控制字X和基準時鐘的值，就可以產(chǎn)生任一頻率的輸出。DDS的頻率分辨率定義為：

由于基準時鐘一般固定，因此相位累加器的位數(shù)就決定了頻率分辨率。如上面的例子，相位累加器為16位，那么頻率分辨率就可以認為是16位。位數(shù)越多，分頻率越高。

2 正弦信號發(fā)生器系統(tǒng)結構設計及實現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)結構圖

正弦信號發(fā)生器系統(tǒng)結構圖如圖2所示。