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1.引言 DDS頻率合成器具有頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達2N個(gè)頻點(diǎn)(假設DDS相位累加器的字長(cháng)是N);頻率切換速度快，可達us量級;頻率切換時(shí)相位連續的優(yōu)點(diǎn)，可以輸出寬帶正交信號，其輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用;可以產(chǎn)生任意波形;全數字化實(shí)現，便于集成，體積小，重量輕。 本文介紹了DDS的基本原理，同時(shí)針對DDS波形發(fā)生器的FPGA實(shí)現進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，利用SignalTapII嵌入式邏輯分析儀對正弦波、三角波、方波、鋸齒波進(jìn)行仿真驗證。 2.DDS波形發(fā)生器的FPGA實(shí)現 FPGA的應用不僅使得數字電路系統的設計非常方便，而且它的時(shí)鐘頻率已可達到幾百兆赫茲，加上它的靈活性和高可靠性，非常適合用于實(shí)現波形發(fā)生器的數字電路部分。使用FPGA設計DDS電路比采用專(zhuān)用DDS芯片更為靈活，只需改變FPGA中的ROM數據，DDS就可以產(chǎn)生任意波形，具有相當大的靈活性。 2.1 FPGA設計流程 FPGA的設計框圖如圖1所示，FPGA的主要功能是：產(chǎn)生與外圍電路的接口電路，使其能夠接受外圍邏輯控制信號;保存頻率字，并構成相位累加器，產(chǎn)生與主時(shí)鐘相同頻率的RAM尋址字;用內部的存儲塊構成存放多種波形數據的ROM,并通過(guò)相應的控制線(xiàn)進(jìn)行選擇;構造出兩個(gè)多波形選擇輸出的輸出通道，其中的一路通道可具備移相功能;用內部的PLL倍頻外部低頻晶振，并輸出與主時(shí)鐘同頻的時(shí)鐘，驅動(dòng)片外高速D/A. 2.2 時(shí)鐘模塊 根據耐奎斯特采樣定理要得到輸出頻率為10MHz的信號，其所輸入的信號時(shí)鐘頻率必須達20MHz以上。采樣頻率越高，輸出波形的平坦度越好，同時(shí)波形的的采樣點(diǎn)數也越多，那么獲得的波形質(zhì)量也就越好。本設計中的DDS模塊是一高速模塊，所以對系統時(shí)鐘就有很高的要求，不僅需要有較高的頻率，而且還要有非常高的穩定性，如果在FPGA的時(shí)鐘端直接加一高頻晶振，不僅時(shí)鐘不穩定，而且功耗大，費用高，在本設計中，直接調用Altera公司的PLL核，在FPGA時(shí)鐘端只需加一低頻晶振，通過(guò)FPGA內部PLL倍頻達到系統時(shí)鐘要求，輸出的時(shí)鐘相位偏移在允許范圍內。 2.3 DDS控制模塊 (1)頻率控制字輸入模塊 頻率控制字輸入模塊如圖2所示，數據選擇器控制輸入16位頻率控制字。 (2)步進(jìn)頻率控制模塊 步進(jìn)頻率控制模塊如圖3所示，通過(guò)一個(gè)乘法器來(lái)控制步進(jìn)頻率，具體算法如下：f步進(jìn)=fc*2147/232. 通過(guò)改變乘法器的乘數來(lái)改變步進(jìn)頻率。要使步進(jìn)為1Hz那么乘法器的乘數為22. (3)頻率累加器 頻率累加器模塊如圖4所示，通過(guò)一個(gè)32位加法器跟32位寄存器構成頻率累加器，頻率控制字高4位為0. (4)相位寄存器 相位寄存器模塊如圖5所示，通過(guò)一個(gè)8位加法器跟8位寄存器構成相位寄存器并產(chǎn)生8位波形數據地址。 (5)波形存儲器設計 波形數據ROM就是存放波形數據的存儲器，大多波形發(fā)生器產(chǎn)品都將波形數據存放在外部的ROM中，這樣使得各部分結構清晰，測試、維護更加方便但由于ROM本身讀取速度慢的缺點(diǎn)，使得整個(gè)系統性能下降，工作頻率下降，為了解決以上問(wèn)題，本設計使用的是用FPGA設計出ROM,在FPGA中存放波形數據，使用Quartus II9.0中的Mega Wizard Plug-In Manager來(lái)生成一個(gè)ROM,如圖6所示。 Mega Wizard Plug-In Manager的設置，根據設計的要求，經(jīng)過(guò)七步的設置，就可以生成一個(gè)ROM的IP核。當在波形ROM中固化所需波形的一個(gè)周期的幅度值后，由地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址對波形ROM尋址，依次可取出送至D/A轉換及濾波后即可得到所需的模擬波形輸出。計算波形數據可以有兩種方法：C語(yǔ)言與matlab計算。 3.仿真實(shí)驗結果 按照第2節的系統設計，設計程序下載到FPGA芯片，使用QuartusII軟件自帶SignalTapII嵌入式邏輯分析進(jìn)行仿真，觀(guān)察信號波形圖，正弦波如圖7,三角波如圖8,方波如圖9,鋸齒波如圖10. 4.總結 經(jīng)實(shí)驗結果表明，通過(guò)DDS技術(shù)合成的波形具有良好的穩定性，易于控制和調節，利用FPGA能在很短時(shí)間內快速構建任意波形，提高了設計效率，具有實(shí)際應用價(jià)值。 |
