基于DDS技術(shù)的多路同步信號(hào)源的設(shè)計(jì)

摘 要：多路同步數(shù)字調(diào)相信號(hào)源一般采用單片機(jī)和多片專用DDS芯片配合實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)同步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本高。給出了一種基于FPGA的多路同步信號(hào)源的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)VHDL語(yǔ)言硬件編程實(shí)現(xiàn)了基于單片F(xiàn)PGA的多路同步信號(hào)，數(shù)字調(diào)相快速準(zhǔn)確。利用QuartusⅡ進(jìn)行綜合和仿真驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性，該設(shè)計(jì)具有調(diào)相方便、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：DDS；多路同步；VHDL；FPGA

引 言
    實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的多路同步輸出，在雷達(dá)、通信等多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)此功能，大多數(shù)設(shè)計(jì)是利用多個(gè)專用DDS芯片外圍借助單片機(jī)幫助，實(shí)現(xiàn)多信號(hào)同步輸出，如圖1所示。

    系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)鍵盤輸入，單片機(jī)輸出頻率控制字和相位控制字以及波形選擇字，控制專用DDS芯片AD9854產(chǎn)生特定頻率和相位的波形，經(jīng)濾波放大后輸出要求的模擬波形。為輸出頻率相同，相位相關(guān)的多路同步信號(hào)，控制數(shù)據(jù)由鍵盤輸入，單片機(jī)向各專用DDS芯片輸出相同的頻率控制字和不同的相位控制字指令，控制各專用DDS芯片輸出指定的頻率和相位的波形。這樣就從整體上實(shí)現(xiàn)了頻率和相位的連續(xù)可調(diào)及同步。
    AD9854是美國(guó)AD公司的DDS系列產(chǎn)品，性能良好，頻率可調(diào)范圍寬。在這樣的設(shè)計(jì)中，利用AD公司的AD9854芯片，盡管有頻率可調(diào)范圍寬，波形豐富，實(shí)現(xiàn)調(diào)副、調(diào)頻容易等特點(diǎn)，但是由于是采用分立的專用DDS芯片，各芯片參數(shù)很難做到完全相同，參數(shù)的差異會(huì)造成輸出信號(hào)頻率和相位不同。因此，盡管各DDS芯片采用同一頻率字，各個(gè)輸出信號(hào)頻率也難以完全相同。同樣，由于參數(shù)的不一致，波形之間的相位也難以準(zhǔn)確調(diào)整到位，更重要的是各個(gè)信號(hào)頻率差異的累積效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致同步失敗。另外，專用DDS芯片價(jià)格昂貴，設(shè)計(jì)成本也較高。
    基于以上原因，這里給出一種基于單片F(xiàn)PGA的多路同步信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案，這種方案具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、同步性好等優(yōu)點(diǎn)，且成本較低。

1 基于FPGA技術(shù)的多路同步信號(hào)源的設(shè)計(jì)模型
    基于FPGA技術(shù)的多路同步信號(hào)源的整體框圖如圖2所示。

    在本框圖中，以三路輸出為例，在一個(gè)FPGA芯片中，實(shí)現(xiàn)了三路基于DDs的信號(hào)通道，完成傳統(tǒng)上三個(gè)專用DDS芯片AD9854完成的功能，實(shí)現(xiàn)三路波形的數(shù)字輸出，在數(shù)字信號(hào)輸出后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的模擬輸出。三個(gè)DDS信道頻率取自同一個(gè)累加器輸出的地址值，進(jìn)行查表，同時(shí)相位的加法實(shí)現(xiàn)也是針對(duì)同一個(gè)累加器輸出的地址，消除了分立專用DDS芯片計(jì)算的誤差。由于在一塊芯片中實(shí)現(xiàn)，所以各DDS信道的參數(shù)一致性好，分立專用DDS芯片的外部連線帶來(lái)的延時(shí)誤差也被降到最低。因此，通過(guò)以上措施，可以大大改善信號(hào)的一致性，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的相位連續(xù)調(diào)節(jié)。
    單片機(jī)及總線配置電路通過(guò)鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。通過(guò)4×4矩陣式鍵盤可以將頻率選擇、初始相位選擇等數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)并經(jīng)單片機(jī)處理后送FPGA，實(shí)現(xiàn)DDS的調(diào)整。
    FPGA是完成DDS多信號(hào)產(chǎn)生的核心部件，完成DDS多路同步信號(hào)的產(chǎn)生。

2 基于DDS技術(shù)的多路同步信號(hào)輸出的FPGA核心設(shè)計(jì)
2.1 一般DDS的工作原理
    DDS(Direct Digital Synthesizer)是從相位概念出發(fā)直接合成所需的波形的一種頻率合成技術(shù)。一個(gè)DDS信號(hào)發(fā)生器是由：相位累加器、波形數(shù)ROM表、D/A轉(zhuǎn)換器以及模擬低通濾波器LPF組成，原理框圖如圖3所示。DDS技術(shù)的核心是相位累加器，相位累加器在穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)的控制下產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的地址值，隨后通過(guò)查表變換，地址值被轉(zhuǎn)化為信號(hào)波形的數(shù)字幅度序列，再由數(shù)/模變換器(D/A)將代表波形幅度的數(shù)字序列轉(zhuǎn)化為模擬電壓，最后經(jīng)由低通濾波器將D/A輸出的階梯狀波形平滑為所需的連續(xù)波形。相位累加器在時(shí)鐘Fc的控制下以步長(zhǎng)F作累加，輸出的值與相位控制字P相加后形成查表的地址值，對(duì)波形ROM進(jìn)行尋址。波形ROM的輸出值即是幅度值，經(jīng)過(guò)D/A變換后形成階梯狀的波形，最后通過(guò)低通濾波平滑成所需的波形。合成信號(hào)的波形取決于ROM表中的幅度序列，通過(guò)修改數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生任意波形，如果要產(chǎn)生多種波形，只需把所需的多種波形數(shù)據(jù)存放到波形ROM表中。一般DDS的原理示意圖如圖3所示。

2.2 同步多路輸出DDS的工作原理
    同步多路輸出DDS工作原理示意圖如圖4所示。

    由方框圖可以看出，從同一個(gè)相位累加器輸出的地址值在進(jìn)行查表之前，根據(jù)需要有不同的相位字進(jìn)行加法運(yùn)算，再根據(jù)新的地址進(jìn)行查表，從而形成波形之間需要的相位值。由于各個(gè)輸出信號(hào)是在DDS內(nèi)對(duì)同一個(gè)累加器輸出的地址進(jìn)行相位的加法，參數(shù)一致，相位的可調(diào)性非常好。頻率取自同一頻率字，各個(gè)信號(hào)存在固定的同步同頻特性，因此輸出的信號(hào)源同步性能優(yōu)越，完全滿足設(shè)計(jì)要求。
2.3 相位累加器的設(shè)計(jì)
    相位累加器是DDS設(shè)計(jì)的核心部件。本設(shè)計(jì)相位累加器由32位加法器與32位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。累加器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端；使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘作用下繼續(xù)與頻率控制字(K)進(jìn)行相加，實(shí)現(xiàn)相位累加，當(dāng)相位累加器累加結(jié)果等于或大于232時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，回到初始狀態(tài)，完成一個(gè)周期性的波形輸出。本設(shè)計(jì)累加器用VHDL語(yǔ)言[quartus6.0]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如下：
    32位累加器模塊實(shí)現(xiàn)：

   
2．4 波形存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)
    用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的取樣地址，進(jìn)行波形的相位一幅碼轉(zhuǎn)換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形的抽樣幅碼。本設(shè)計(jì)利用FPGA資源，構(gòu)造一個(gè)10位的ROM進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。

    ROM可利用Quartus的插件管理程序Megawiz-ard plug-in manager容易獲得，這里給出正弦波形數(shù)據(jù)生成的C程序，來(lái)生成ROM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。要想生成其他波形的數(shù)據(jù)，只需要簡(jiǎn)單修改其中的波形表達(dá)式即可。

3 仿真與調(diào)試
    本設(shè)計(jì)在Quartus Ⅱ中進(jìn)行分析和綜合后，得到該相位可調(diào)多輸出DDS的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    在Quartus Ⅱ中，輸入控制信號(hào)：Fo=100 MHz，fword=50，pword=35，進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖7所示。在Quartus中生成的仿真數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證完全正確，得到了同頻和可調(diào)相的三個(gè)正弦波的幅值數(shù)據(jù)序列，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)運(yùn)用VHDL硬件編程語(yǔ)言和DDS技術(shù)，結(jié)合FPGA高速器件，實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的同步輸出，很好地解決了要求信號(hào)之間同頻率可調(diào)，相位連續(xù)可調(diào)的問(wèn)題，且具有易于程控、相位連續(xù)、輸出頻率穩(wěn)定度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，并且采用一個(gè)FPGA塊就解決了傳統(tǒng)上需要三個(gè)DDS才能解決的問(wèn)題，也大大降低了設(shè)計(jì)成本。