基于FPGA的DDS基本信號發(fā)生器的設(shè)計

摘要：本設(shè)計基于DDS原理和FPGA技術(shù)按照順序存儲方式，將對正弦波、方波、三角波、鋸齒波四種波形的取樣數(shù)據(jù)依次全部存儲在ROM波形表里，通過外接設(shè)備撥扭開關(guān)和鍵盤控制所需波形信號的輸出，最終將波形信息顯示在LCD液晶顯示屏上。各硬件模塊之間的協(xié)調(diào)工作通過嵌入式軟核處理器NiosⅡ用編程實現(xiàn)控制。本設(shè)計所搭建的LCD12864控制器是通過編程實現(xiàn)的IP核。
關(guān)鍵詞：DDS；FPGA技術(shù)；順序存儲；NiosⅡ；IP核

    DDS(DiFeet Digital Frequency Synthesis)即直接數(shù)字式頻率合成，是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。與傳統(tǒng)信號源所采用的用模擬方式生成信號不同，它是將先進的數(shù)字信號處理理論與方法引入信號合成領(lǐng)域。DDS技術(shù)在精確度、靈活度等方面都超過模擬信號發(fā)生器。并且DDS可實現(xiàn)相位連續(xù)變化，且具有良好頻譜的信號，這是傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的。
    FPGA的迅速發(fā)展為DDS提供了更加優(yōu)良的技術(shù)手段，它具有處理速度快、可靠性高等特點。SOPC(System On Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng))是一種靈活、高效的SOC解決方案。它以IP Core為基礎(chǔ)，將處理器、存儲器、IO口等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一個FPGA器件上，構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式。本設(shè)計綜合以上軟硬件可編程協(xié)同設(shè)計技術(shù)，使得DDS電路在靈活性，可行性，精確性等方面得到很大提高。

1 DDS的基本原理
    DDS信號發(fā)生器是由：頻率控制字、相位累加器、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1所示。

    首先對波形的一個周期進行連續(xù)采樣，通過計算得到每一點對應(yīng)的幅度值，然后以二進制格式存放在數(shù)據(jù)文件中。在時鐘脈沖fclk驅(qū)動下，每個時鐘周期內(nèi)頻率控制字與相位累加器累加一次，產(chǎn)生ROM查找表的地址值，隨后通過查表變換，地址值被轉(zhuǎn)化為信號波形的數(shù)字幅度序列，即可得到幅度上離散的波形，再由數(shù)模變換器(D／A)將表示波形幅度的數(shù)字序列轉(zhuǎn)化為模擬量。最后經(jīng)由LPF將D／A輸出的階梯狀波形平滑為所需的連續(xù)波形。理論上，采樣點數(shù)越多，生成波形精確度越高。

2 基于FPGA的DDS設(shè)計
    本設(shè)計在Altera的EP2C35F672C8芯片的基礎(chǔ)上，在SOPCBuilder和OuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下，利用SOPC技術(shù)，在FPGA中集成Altera的嵌入式軟核處理器NiosⅡ和其他外設(shè)，將硬件系統(tǒng)與軟件集成在單一可編程芯片中，從而實現(xiàn)片上的系統(tǒng)級設(shè)計。系統(tǒng)框圖如圖2所示，由DDS基本單元(由頻率控制字，相位累加器，ROM，DAC，LPF構(gòu)成)，F(xiàn)PGA外部硬件資源(撥扭開關(guān)SWTCH、鍵盤KEY、LCD12864)和NiosⅡ處理器系統(tǒng)等構(gòu)成了基本電路。四位撥扭開關(guān)選擇輸出波形，鍵盤控制輸出波形信號頻率，LCD12864顯示波形信號參數(shù)，各硬件模塊之間的協(xié)調(diào)工作通過NiosⅡ微處理器在圖形化開發(fā)環(huán)境NiosⅡIDE下用C語言來編程實現(xiàn)控制。[!--empirenews.page--]

3 各模塊設(shè)計
3．1 波形數(shù)據(jù)存儲方式
    通過對DDS基本原理的分析得知只需更換波形存儲器中的波形采樣數(shù)據(jù)，就可以得到所需波形的信號。波形數(shù)據(jù)存儲方式包括順序存儲方式和間隔存儲方式，本設(shè)計采用順序存儲方式將方波，三角波，正弦波，鋸齒波4種波形采樣數(shù)據(jù)全部依次存儲在一個查找表里，數(shù)據(jù)分布情況如表1所示。通過改變尋址首地址，并在該波形數(shù)據(jù)存儲地址范圍內(nèi)循環(huán)尋址，從而實現(xiàn)對所需信號波形的輸出。具體實現(xiàn)方法在累加控制模塊中有介紹。

    DDS模塊中的波形數(shù)據(jù)存儲器是用QuartusⅡ中的MegaWizard Plug_In Manager工具添加的LPM_ROM IP核，此存儲器ROM是用波形存儲文件．mif進行初始化，波形數(shù)據(jù)可以用matlab等工具生成，用matlab生成4種波形的波表數(shù)據(jù)程序如下：
    [!--empirenews.page--]
   
    由以上代碼生成的．mif文件即可存E盤目錄下找到，將．mif文件加載到ROM中，實現(xiàn)對ROM的初始化。
3．2 累加控制模塊
    累加控制模塊如圖3所示，為了實現(xiàn)波形選擇性輸出，本設(shè)計在累加控制部分增加了選擇器，即圖3的sel模塊，作為系統(tǒng)尋址地址的高兩位，實現(xiàn)對波形查找表的范圍選擇功能。累加器Altaccumulate0的輸出做為累加控制模塊的低32位的輸出，實現(xiàn)在指定范圍內(nèi)對查找表進行尋址。此設(shè)計方法相當(dāng)于做了一個多路數(shù)據(jù)選擇器。四位撥扭開關(guān)作為sel模塊的輸入控制，將尋址地址轉(zhuǎn)換成所需波形首地址，即可實現(xiàn)對波形選擇的控制。Adder模塊將sel和Altaccumulate0模塊輸出進行位拼接運算。其部分代碼如下：
    always@(posedge clk)
    begin
    addr<={q，32’b0}+{2’b0，result}；
    end
    設(shè)計中為了節(jié)省ROM的容量而采用相位截斷的方法，取累加器輸出的高十位作為ROM的尋址地址來進行查表。

[!--empirenews.page--]
3．3 LCD 12864口核設(shè)計
    對于Altera SOPC Builder未提供的一些外設(shè)接口模塊，用戶可以通過自定義邏輯方法在SOPC設(shè)計中添加自己開發(fā)的IP核，通過Avalon的讀寫時序?qū)Ω鱾€設(shè)備進行操作。本設(shè)計通過構(gòu)建IP核來直接控制NiosⅡ和LCD12864的接口，按照指定的時序?qū)⒉ㄐ螀?shù)顯示在LCD上。在SOPC Builder中自己定義component，并把液晶顯示模塊看成外部存儲器，直接做成Avalon總線Slave設(shè)備，IP核設(shè)計包含軟件部分和硬件部分，需要寫HDL模塊，定義控制狀態(tài)、數(shù)據(jù)寄存器和控制位，描述組件與Avalon總線的接口以及組件與液晶屏的接口。系統(tǒng)編輯器從文件中讀取I／O信號和參數(shù)信息。其次對LCD模塊進行初始化，由于SOPC Builder中的LCD12864控制模塊已經(jīng)考慮了LCD的讀寫時序，所以使用NIOSⅡ IDE進行LCD驅(qū)動和控制時只需對LCD進行初始化。
3．4 NiosⅡ嵌入式處理器系統(tǒng)
    NiosⅡ是Altera針對其FPGA設(shè)計的嵌入式軟核處理器，它與其他IP核可構(gòu)成SOPC系統(tǒng)的主要部分。它具有靈活的自定義指令集和自定義硬件加速單元，以及圖形化開發(fā)環(huán)境NiosⅡIDE。經(jīng)由SOPC Builder生成NiosⅡ嵌入式處理器系統(tǒng)，其CPU模塊框圖如圖4所示。

    利用NIOSⅡIDE開發(fā)工具完成所有軟件開發(fā)任務(wù)，系統(tǒng)接收撥扭開關(guān)掃描模塊發(fā)來的4位掃描碼，根據(jù)掃描碼數(shù)值的不同進入不同的子程序，然后再通過FPGA的鍵盤掃描模塊向NIOSⅡ處理器發(fā)送鍵盤掃描碼，軟核處理器根據(jù)接收到的掃描碼產(chǎn)生相應(yīng)的信號數(shù)據(jù)以及控制信號，并通過PIO傳送給FPGA中的DDS模塊，實現(xiàn)頻率控制字的變化，即輸出頻率可調(diào)，并將信號數(shù)據(jù)顯示在LCD上。同時DAC器件將DDS產(chǎn)生的8位信號數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波、三角波、正弦波、鋸齒波。

4 結(jié)束語
    該信號源能夠很好地滿足對不同波形、不同頻率的信號的需求，具有很強的實用性，并且可以方便地通過液晶顯示器直觀地觀察到波形信號的參數(shù)信息。由FPGA實現(xiàn)的DDS信號發(fā)生器不僅可實現(xiàn)頻率可調(diào)波形變換且具有頻率切換快，信號的質(zhì)量和精度高于模擬方式的特點。