基于FPGA和DDS的數(shù)控信號源的設(shè)計與實現(xiàn)

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

    信號源輸出信號可作為標(biāo)準(zhǔn)信號和用戶自定義信號而成為電氣電子各領(lǐng)域，如自動控制、通信電子、電子對抗、航空航天等，以及科研測試中必不可少的電子測量和計量設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對信號源的頻率精度和穩(wěn)定度、頻率范圍等要求也越來越高。
    傳統(tǒng)信號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、頻率切換時間短、相位變換連續(xù)、可靠性高等優(yōu)點?，F(xiàn)有基于DDS技術(shù)的信號源實現(xiàn)方案可分為兩大類：(1)以DDS專用芯片為核心，單片機為控制模塊。(2)以FPGA為核心完成DDS功能，單片機作為控制部分。由于DDS專用芯片并不具備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言一一匯編語言和硬件編程語言，顯然增加了方案的難度和復(fù)雜度，同時硬件系統(tǒng)也較復(fù)雜，不利于擴展與維護(hù)。
    文中根據(jù)DDS原理，以FPGA為核心，輔以簡單的外圍電路完成數(shù)控信號源的方案設(shè)計，各功能模塊利用VHDL語言設(shè)計，在FPGA中實現(xiàn)。設(shè)計方案既簡單方便、易于實現(xiàn)且靈活。

1 設(shè)計方案及工作原理
1．1 設(shè)計方案
    設(shè)計方案如圖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，并通過低通濾波得到平滑的波形信號。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。

    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上實現(xiàn)，用VHDL語言完成設(shè)計，只有DAC、LPF、放大、顯示器件和輸入器件需要外接電路實現(xiàn)，因此硬件系統(tǒng)較為簡潔。
1．2 工作原理
    設(shè)計的基本原理是DDS技術(shù)。DDS是基于查找表思想，事先把波形數(shù)據(jù)存儲于ROM表中，然后相位累加器輸出作為地址信號，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爭冒險問題，文中根據(jù)李曉芳等人提出的DDS算法優(yōu)化思路來設(shè)計DDS結(jié)構(gòu)。設(shè)計的DDS結(jié)構(gòu)如圖2所示。相位累加器在系統(tǒng)時鐘fclk的作用下，以頻率控制字Fword在為步長不斷累積，其溢出信號pvo作為地址信號發(fā)生器的時鐘。地址信號發(fā)生器實際是以pvo為觸發(fā)脈沖的計數(shù)器，其輸出信號作為ROM表的地址信號。圖2中同步寄存器的作用是保證頻率字改變時不會影響累加器的正常工作。

2 電路設(shè)計與實現(xiàn)
    系統(tǒng)中循環(huán)相位累加器、ROM表和地址信號發(fā)生器是關(guān)鍵部分，它們直接決定系統(tǒng)性能。
2．1 相位累加器結(jié)構(gòu)設(shè)計
    為得到足夠高的分辨率，文中循環(huán)相位累加器字長取32位。但是，若直接采用32位串行加法器作為累加器，則引入的延遲較大，從而大大降低系統(tǒng)的工作速度。為此，文中采用超前進(jìn)位原理和流水線技術(shù)設(shè)計32位循環(huán)累加器，其原理框圖如圖3所示。每4位超前進(jìn)位加法器作為一個基本單元，4個4位超前進(jìn)位加法器組成16超前進(jìn)位加法器，并且將入流水技術(shù)加入16位超前進(jìn)位加法器中。最后再將兩個16位加法器組成32位加法器，如圖3所示。

2．2 ROM查找表設(shè)計
    理論上，一個周期內(nèi)樣點數(shù)越多，輸出的波形精度越高。但樣點數(shù)越多，需要的存儲空間也越多。為了得到一定精度的波形，又不希望大幅度地增加存儲容量，人們提出如下方法：(1)利用CORDIC及其改進(jìn)算法來設(shè)計DDS。(2)根據(jù)抽樣定理，存儲最少的樣點數(shù)，每個周期采用固定的樣點數(shù)。(3)利用波形的對稱性來減少ROM，如正弦波只需存儲前1／4周期的波形數(shù)據(jù)。
   ROM查找表設(shè)計的標(biāo)目是減少ROM的容量，同時不能過多增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。根據(jù)采樣定理，每個波形周期只需采樣45°，135°，225°，315°相位點對應(yīng)的4個樣值，就可以無失真地重構(gòu)模擬波形信號。為保證波形質(zhì)量，文中每個周期固定采樣32個點，則3種波形有96個樣點，每個樣點用8為二進(jìn)制數(shù)表示，則共需要768 bit。因此，地址信號發(fā)生器可設(shè)計為32進(jìn)制的計數(shù)器。

    ROM查找表結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中頭N個樣值為正弦波數(shù)據(jù)，最后N個樣值為三角波數(shù)據(jù)，中間是方波數(shù)據(jù)。若要輸出正弦波，則從第1個存儲單元開始查找；要輸出方波，則從第N+1個單元開始查找，依次類推，圖中N取32。
    傳統(tǒng)DDS技術(shù)中隨著波形頻率的增加，采樣點數(shù)明顯減少，使得波形質(zhì)量也大大降低。采用這種方法，不管輸出波形多大，采樣點數(shù)都是固定的，從而避免以上問題。
2．3 地址信號發(fā)生器的設(shè)計
    考慮到ROM的結(jié)構(gòu)和每周期采樣點數(shù)相同的需要，設(shè)計的地址信號發(fā)生器需要在提供ROM尋址的同時完成波形選擇的功能。當(dāng)波形選擇鍵“wave”按下時，完成波形種類選擇功能。波形種類轉(zhuǎn)換采樣狀態(tài)機來完成，其狀態(tài)圖如圖5所示。圖中共有4種狀態(tài)S00，S0，S1，S2。當(dāng)復(fù)位信號有效時為S00狀態(tài)，此時輸出正弦波，否則每當(dāng)按下“wave”鍵就從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下一狀態(tài)。狀態(tài)S0輸出正弦波，狀態(tài)S1輸出方波，狀態(tài)S2輸出三角波。當(dāng)“wave”鍵沒有按下，且相位累加器溢出時，地址信號發(fā)生器就是一個N進(jìn)制的計數(shù)器，使ROM表順序地讀出當(dāng)前波形數(shù)據(jù)。

2．4 外圍電路的實現(xiàn)
    外圍電路包括幅度控制、顯示以及輸入模塊等部分。
    幅度控制通過調(diào)節(jié)比例放大電路來實現(xiàn)。顯示模塊由LED數(shù)碼管和指示燈組成，其中8位數(shù)碼顯示頻率，指示燈顯示波形種類。用動態(tài)掃描方式依次點亮8位數(shù)碼管。
    輸入模塊用于輸出波形選擇和波形頻率設(shè)置，均由4×4鍵盤完成。波形選擇只用一個按鍵完成，按下后循環(huán)選擇“正弦波→方波→三角波→正弦波”，同時輸出相應(yīng)波形種類指示燈信號。
    根據(jù)系統(tǒng)中DDS結(jié)構(gòu)，輸出波形的頻率為
   
    式(1)中，fclk為系統(tǒng)時鐘頻率；Fword為頻率控制字；Mode為相位累計器的模，N為每種波形數(shù)據(jù)的字長。由于fclk，Mode，N均為定值，所以輸出頻率與相位控制是比例關(guān)系，可用一個乘法器來實現(xiàn)。文中取fclk=50 MHz，Mode=5×107，N=32，則f0=Fword／32，輸出波形頻率精度為0．03 Hz。根據(jù)采樣定理，輸出頻率f0最高為fclk的1／2，但是實際上f0低于fclk的40％時，輸出波形的穩(wěn)定性才比較好。

    鍵盤電路如圖6所示，由鍵盤、鍵盤控制和按鍵處理3部分組成。鍵盤控制完成鍵掃、按鍵去抖和按鍵標(biāo)志產(chǎn)生功能。按鍵處理部分對數(shù)字鍵和功能鍵的處理。頻率設(shè)置時，輸入的數(shù)字作為波形的輸出頻率，并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率控制字送入DDS模塊。設(shè)置頻率的同時，輸入的設(shè)置值送入顯示模塊顯示。
    按鍵說明：“←”鍵表示刪除最后一位輸入的數(shù)字，“esc”鍵表示放棄當(dāng)前輸入的數(shù)字，“#”鍵表示確定輸入，“wave”鍵表示波形種類選擇，“reset”鍵為復(fù)位鍵，“clear”鍵為清零鍵。輸出頻率設(shè)置操作為從鍵盤輸入需要輸出的頻率值，最后按下確認(rèn)鍵“#”即可。

3 系統(tǒng)仿真與驗證
    在QuartusIl開發(fā)平臺中，將在FPGA中實現(xiàn)的各個模塊連接起來得到系統(tǒng)頂層模塊，其仿真結(jié)果如圖7所示。仿真時系統(tǒng)時鐘頻率設(shè)置為與硬件系統(tǒng)時鐘一樣fclk=50 MHz，則時鐘周期為20 ns。圖7是在Mode=5×107，N=32，F(xiàn)word=(E883CO)H時的仿真結(jié)果，其中圖7(a)，圖7(b)和圖7(c)分別是正弦波、方波和三角波的仿真波形，從仿真圖中觀察它們的波形周期均為2．1μs，即換算成頻率是476．190 kHz。從圖7(b)和圖7(c)看出，波形轉(zhuǎn)換快速，只需6個時鐘周期即約為12．3μs。

    系統(tǒng)FPGA芯片采用EP2C8Q208，系統(tǒng)時鐘50 MHz。D／A轉(zhuǎn)換采用8位無符號DAC0832集成電路，低通濾波器采用LM324集成電路和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源低通濾波器。

    系統(tǒng)仿真正確后，將設(shè)計代碼下載到FPGA芯片中，然后用示波器測試輸出波形結(jié)果如圖8所示。其中圖8(a)是在頻率控制字與仿真圖一致時，示波器的測量結(jié)果。從圖8中看出，系統(tǒng)能夠正確輸出正弦波、方波和三角波，而且輸出頻率為7 MHz時波形質(zhì)量依然良好。

4 結(jié)束語
    介紹了一種基于FPGA和DDS技術(shù)的數(shù)控信號源的設(shè)計和實現(xiàn)方法，并給出系統(tǒng)仿真和硬件測試結(jié)果。設(shè)計方案主要在FPGA芯片內(nèi)實現(xiàn)，外圍電路簡單。設(shè)計的系統(tǒng)能夠輸出正弦波、方波和三角波，輸出波形在整個頻率范圍內(nèi)波形質(zhì)量均好，精度達(dá)0．03Hz。