基于CycloneII系列FPGA的DDFS信號源實現(xiàn)

0 引言
    在電子信息領(lǐng)域，函數(shù)發(fā)生器(信號源)是通用的設(shè)備。近年來電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得各領(lǐng)域?qū)π盘栐吹囊笤诓粩嗵岣?。不但要求其頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度高，要求頻率改變的方便性，而且還要求可以產(chǎn)生任意波形，輸出不同幅度的信號等。而實現(xiàn)頻率合成方法有許多種，但基本上可以歸納為直接頻率合成和間接頻率合成兩大類方法。采用傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)要實現(xiàn)上述要求，幾乎是不可能的。DDFS技術(shù)是自21世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種新型的直接頻率合成技術(shù)。DDFS技術(shù)是在信號的采樣定理的基礎(chǔ)上提出來的，從“相位”的概念出發(fā)，進(jìn)行頻率合成，不但可利用晶體振蕩的高頻率穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確度，且頻率改變方便，轉(zhuǎn)換速度快，便于產(chǎn)生任意波形等，因此，DDFS技術(shù)是目前高精密度信號源的核心技術(shù)。目前已有專用的DDFS芯片，如美國AD公司的AD9850等可用于DDS信號源的開發(fā)，但其成本較高。本設(shè)計將采用DDFS技術(shù)，在FPGA上進(jìn)行信號源的設(shè)計，其成本大大降低，且設(shè)計靈活方便，易于各種功能的擴(kuò)展等。

1 DDFS技術(shù)原理
    DDFS技術(shù)的原理：將對正弦等各種信號的采樣量化數(shù)據(jù)存入ROM存儲器中，在時鐘的控制下，依次或隔一定步進(jìn)讀取ROM中的數(shù)據(jù)，再通過D／A轉(zhuǎn)換芯片及后級的低通濾波器來實現(xiàn)頻率合成的一種方法。其原理框圖如圖1所示。其主要的組成部分包括：相位累加器(也可理解為ROM存儲單元的讀地址發(fā)生單元)、正弦信號采樣量化數(shù)據(jù)存儲ROM表、D／A轉(zhuǎn)換及低通濾波器。

    DDFS參數(shù)計算：DDFS的主要參數(shù)包括正弦信號的采樣點數(shù)，最高輸出頻率fomax，最低輸出頻率fomax及頻率分辨率△fo等。根據(jù)DDFS原理可知，在時鐘控制下將所有ROM存儲數(shù)據(jù)依次讀出，則輸出的信號周期最長Tomax=NTc，即輸出頻率最低為fomax；只讀出兩個點(∏／2和3∏／2)的采樣數(shù)據(jù)，則輸出的信號周期最短Tomin=2Tc，即輸出頻率最高為fomax。其中Tc為時鐘周期。相應(yīng)計算如下。
    (1)輸出信號頻率通式：fo=Sfc／2n，其中2n為采樣點個數(shù)N，故可知n為采樣后ROM的地址位數(shù)；其中S為步進(jìn)長度，即每S個地址取一個采樣點；
    (2)輸出最低頻率
    (3)輸出最高頻率雖然根據(jù)奈奎斯特采樣定理，一個周期采樣兩個點即可保證信號的頻譜信息不丟失，但為了輸出信號濾波后失真較小，一個周期至少采樣8個點；故可知S的取值范圍應(yīng)該為1～2n-3；
    (4)頻率分辨率△fo：△fo=fc／2n，與最低頻率一致。

2 DDFS的FPGA實現(xiàn)的參數(shù)計算
    本設(shè)計充分利用CycloneII系列FPGA芯片EP2C35的片上資源來實現(xiàn)一個基于DDFS的正弦信號源。由于此芯片的片上可用ROM單元為483，840位二進(jìn)制，因此，片上ROM資源只能夠存儲215(32768)個8位二進(jìn)制采樣點的數(shù)據(jù)。
    (1)ROM資源優(yōu)化：由于是正弦信號，因此只要采樣其(0，n／2)區(qū)間上的函數(shù)值，即可根據(jù)其周期性及對稱性，求出其他區(qū)間上的相應(yīng)的函數(shù)值。故，雖然片上資源只能存儲215(32768)個8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，但利用正弦信號的對稱性，可實現(xiàn)217點采樣。由于正弦信號在(n～2n)間為負(fù)值，因此輸出函數(shù)值時，需要進(jìn)行補碼轉(zhuǎn)換；
    (2)地址位長度：ROM的尋址地址為15位二進(jìn)制數(shù)；
    (3)步進(jìn)位長度：步進(jìn)最大應(yīng)為217／23=214，即步進(jìn)為14位的二進(jìn)制數(shù)；
    (4)相位控制字：相位是指讀取數(shù)據(jù)時，應(yīng)該屬于(0，2n)上的哪個區(qū)間，由于共有4個不同的區(qū)間。故可采用2位的二進(jìn)制數(shù)來標(biāo)識；不同的相位區(qū)間，決定著地址的讀取方向及輸出函數(shù)值是否取補碼運算；
    (5)任意波形的產(chǎn)生：要產(chǎn)生任意波形，可利用任意波形如矩形脈沖、三角波、鋸齒波等的傅利葉級數(shù)分解表達(dá)式，取其前有限次(如10次)諧波進(jìn)行求和并存入指定的RAM單元，再依次讀出數(shù)據(jù)，即可產(chǎn)生任意的信號。也可以將相應(yīng)波形的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，存入ROM中，按一定步進(jìn)進(jìn)行讀取。通過以上分析，在充分利用片上存儲單元，不擴(kuò)展外部存儲器，地址時鐘為10 MHz的基礎(chǔ)上，可得頻率分辨率為△f=78 Hz，輸出信號最高頻率(一個周期最少采樣8個點)為fomax=fc／8=1．25 MHz；輸出信號最低頻率為fomin=Sfc／2n|s=1=fc／217=78 Hz。若采樣點達(dá)到232個及以上，頻率分辨率可以做到0．015 Hz，達(dá)到mHz量級?？梢娎肅yclone II系列芯片設(shè)計出性能優(yōu)良的信號源。

3 DDFS的FPGA實現(xiàn)
    根據(jù)DDFS的原理，其FPGA設(shè)計原理如圖2所示。其中控制單元由有限狀態(tài)機構(gòu)成。雖然整個系統(tǒng)的控制不一定需要使用有限狀態(tài)機，但由于使用的FPGA芯片不支持異步的ROM，即從地址鎖存進(jìn)入ROM單元，到數(shù)據(jù)從ROM中讀出有至少一個時鐘周期以上的延時。因此采用狀態(tài)機來進(jìn)行控制，可以達(dá)到較好的輸出與時鐘同步?？刂屏鞒虨椋簳r鐘信號進(jìn)入控制單元，由它產(chǎn)生地址發(fā)生單元的輸入時鐘adrclk，地址發(fā)生單元在時鐘adrclk的驅(qū)動下，結(jié)合輸入的步進(jìn)信號Step，產(chǎn)生地址及此地址所對應(yīng)的象限Phase，此地址產(chǎn)生后立即輸入到ROM單元中，過兩個時鐘周期后，控制單元從ROM存儲單元中讀出輸入地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并在時鐘的控制下，將前面所產(chǎn)生的象限值Phase與ROM數(shù)據(jù)一起送到補碼轉(zhuǎn)換單元，補碼轉(zhuǎn)換單元根據(jù)Phase的值來決定是否需要進(jìn)行補碼轉(zhuǎn)換，若需要，則進(jìn)行補碼運算并將數(shù)據(jù)輸出，若不需要，則直接將數(shù)據(jù)輸出。下面給出各模塊的具體設(shè)計細(xì)節(jié)。

    (1)控制單元：控制單元是整個系統(tǒng)的核心部件。由一個簡單的有限狀態(tài)機構(gòu)成。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

    (2)地址發(fā)生單元：設(shè)計思路為根據(jù)輸入的Step值，計算出總共四個象限所需取值的點數(shù)，也就可以計算出一個象限所要取值的點數(shù)m，然后在時鐘作用下進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值達(dá)m個時，說明一個象限內(nèi)已經(jīng)取完點，此時phase自加1，計數(shù)變量重新置零。由于在(0，π／2)sin的函數(shù)值為從0→1變化；(π／2，π)函數(shù)值從1→0變化；(π，3π／2)函數(shù)值從0→－1變化；(3π／2，2π)函數(shù)值從－1→0變化。故在(0，π／2)和(π，3π／2)地址值從0→32767，每隔一個步進(jìn)Step讀一個數(shù)據(jù)，當(dāng)然后者的數(shù)據(jù)要經(jīng)過補碼單元的處理；而在(π／2，π)和(3π／2，2π)象限，地址值則從32767→0，每隔一個步進(jìn)Step讀一個數(shù)據(jù)即可，同樣的，后者的數(shù)據(jù)也要經(jīng)過補碼單元的處理。
    (3)ROM存儲單元：ROM存儲單元的數(shù)據(jù)可以通過Matlab進(jìn)行計算獲得，并將其存儲為*．mif的文件格式。在進(jìn)行ROM設(shè)計時，調(diào)用此mif文件作為ROM的初始數(shù)據(jù)文件即可。
    (4)補碼轉(zhuǎn)換單元：根據(jù)目前地址所處象限來決定是否需要進(jìn)行補碼轉(zhuǎn)換。如產(chǎn)生正弦信號時，(0，π)象限sin函數(shù)值為正，而(π，2π)象限上sin函數(shù)值為負(fù)，因此在(π，2π)象限時，需要對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行補碼轉(zhuǎn)換。補碼轉(zhuǎn)換單元較簡單，根據(jù)二進(jìn)制數(shù)取補的原理進(jìn)行設(shè)計即可。

4 結(jié)果分析
    本設(shè)計在QuartusII6．0的平臺上完成設(shè)計工作，其仿真波形如圖4所示。在仿真波形中設(shè)置的步進(jìn)長度為1024點。由于有狀態(tài)機進(jìn)行流程控制，產(chǎn)生的波形較平滑，元多滑毛刺產(chǎn)生。若要進(jìn)一步提高輸出信號頻率范圍，則設(shè)計過程中，不應(yīng)對時鐘信號進(jìn)行分頻。

    同時，還可以利用QuartusII的SigTapII工具對所設(shè)計的程序進(jìn)行硬件驗證，設(shè)置好相應(yīng)步進(jìn)后，相應(yīng)的輸出波形如圖5及圖6所示?？梢娝a(chǎn)生的低頻正弦信號波形平滑，而頻率較高時有一定的毛刺，這可以通過后級的低通濾波電路(如切比雪夫低通濾波網(wǎng)絡(luò)等)來進(jìn)行濾除。

    本設(shè)計使用的邏輯單元只占FPGA片上資源的1％，存儲單元占54％，I／O口占13％。可見主要資源為片上的存儲單元，如果提高一位地址位，則數(shù)據(jù)量翻倍，F(xiàn)PGA片上ROM不夠用。通過QuartusII6．0的時鐘分析，本設(shè)計可達(dá)到的最高時鐘為149．41 MHz，而地址發(fā)生的時鐘為時鐘的4分頻，故地址發(fā)生單元的最高時鐘可達(dá)37．352 5 MHz，相應(yīng)的輸出信號最高頻率可達(dá)4．665 MHz，相應(yīng)的最低頻率及頻率步進(jìn)為284．976 Hz。

5 結(jié)束語
    本設(shè)計在不向外擴(kuò)展ROM存儲器的情況下，對DDFS設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，充分利用Cyclone II系列FPGA的片上資源，其輸出正弦信號最高頻率可達(dá)4 MHz以上。只要采用更好的方案進(jìn)行設(shè)計，使采樣點可以做到232個及以上，頻率分辨率可以做到0．015 Hz，達(dá)到mHz量級，進(jìn)一步提高信號源的輸出信號頻率范圍及頻率分辨率等技術(shù)指標(biāo)，可利用Cyclone II系列芯片設(shè)計出性能優(yōu)良的信號源，達(dá)到實用信號源的要求。