论文部分内容阅读
摘 要：科学技术的进步对波形发生器的各个方面都提出了很高的要求。如今直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）以其高分辨率而得到了广泛的应用。快速的频率转换和连续的相变而被广泛用于数字通信系统，并已成为现代频率合成技术的领导者。文章介绍了DDS的原理，并介绍了使用Altera Cyclone 1 EP1CQ240C8 FPGA芯片实现直接数字频率合成器的工作原理、设计思想、电路结构、仿真结果和频谱纯度分析。
关键词：DDS;FPGA芯片;电路结构;仿真
0 引言
随着现代电子技术的不断发展，经常需要在通信系统的一定频率范围内提供一系列稳定、准确的频率信号，而典型的振荡器已不能满足频率合成技术的要求。直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）是一种信号合成技术，可通过D/A转换器将一系列数据类型的信号转换为模拟形式[1]。针对当今的高频应用，使用DDS设计适合用户需求的FPGA系统是一个很好的解决方案。
1 DDS原理概述
1.1 原理释义
数字频率合成器（DDS）是数控锁相倍频器。输出频率是参考频率的整数倍，并且压控振荡器输出信号的频率、频率比是利用频率选择控制来实现切换的。经过频率选择控制对压控振荡器输出信号的频率和频率比实现切换。与一般的频率合成器相比，DDS有很多优点，例如成本低、功耗低、分辨率高、转换时间短[2]，这是实现设备全数字化的关键技术力量。
1.1.1 DDS在基本原理
DDS系统的核心是一个相位累加器，累加器是 n 位累加器和n位相位相结合才形成的。每次触发时钟脉冲时，累加器就由相位寄存器和累积相位数据输出的频率控制数据，然后把结果传送到相位寄存器的数据输入端。在将前一个时钟应用于累加器的输入之后，相位寄存器会反馈由累加器生成的新相位数据，从而使加法器根据下一个时钟的行为继续添加频率控制数据[3]。
1.1.2 DDS参数计算
2N/M fc 时钟后，相位寄存器返回其初始状态，正弦查找表在循环后返回其初始位置，并且整个DDS系统输出正弦波。输出正弦波频率如下：
在该设计中，N=10，M是位宽为32且 fc=20 Mhz的频率控制。
1.2 DDS电路仿真结果
将时序分析工具设置为Classtiming analyzer tool，观察电路的最大工作频率 fmax 并以二进制补码形式进行观察。
1.3 参数确定
第一先确定系统的分辨率Δf，最高的频率 fmax，及最高频率 fmax下最少采样点数Nmin再依据需要产生的最高频率 fmax和该频率下的最少采样点数 Nmin，由公式：
然后确定系统时钟 fs 的下限值，但是要满足分辨率计算公式：
推出M=2S，得到相位增量寄存器是S位。确定波形存储器的地址位数W，在这个系统中决定寄存2Z个数据值，所以RAM地址为Z位。
刚开始选用FPGA/CPLD器件作为DDS的实现器件，对于D/A转换器的选择，开始要考虑D/A转换器的转换速率[4]。要实现所需的频率，D/A的轉换速度要大于fmax·Nmin，再根据D/A转换器字长所带来的误差，得到D/A的位数。最后再选择D/A转换器的型号。
2 硬件电路设计
2.1 分频器
信号发生器的出现，控制和显示模拟信号。外部输入为50 MHZ时钟频率，频率由频率控制设备控制在所需范围内。经过D/A的转换，模块将数字信号转换为模拟信号，然后把它显示在示波器上。
2.2 总体设计原理
基于VHDL语言，设计简单的多功能信号发生器，选择输入信号，再输出正弦波、三角波、方波、锯齿波4种波形信号。信号发生器的控制模块是可以用一个数据选择器来实现的，并且可以由4个信号的一个数据选择器来实现。同时，该设计使用了一种图解方法来调用正弦、三角波。方波和锯齿波以及4个数据选择器组件之一。
2.3 基于DDS的FPGA实现
相位累加器和相位寄存器主要功能是对输出波形的频率进行积累和调整。它作为QuartusII可编程逻辑器件系统，是因为开发工具才设计出来的。先打开QuartusII，建立新的项目管理文件，再在项目管理文件中建新的VerilogHDL源程序文件，最后用VerilogHDL编写一个程序来实现这个功能。在这个过程中可以将其描述为模块。
3 结语
在本设计中，基于FPGA的实验平台设计并实现了基于DDS（直接数字频率合成）技术的波形信号发生器的工作原理和设计过程，以满足各种功能指标的要求。根据DDS在FPGA开发平台中的工作方式，以VerilogHDL语言设计和实现DDS的直接频率合成。波形数据通过D/A转换，外部滤波和整形电路以及正弦波进行处理，具有可调频率输出的出色实用性。
[参考文献]
[1]王磊，李翔，胡建荣.基于DDS技术的电荷信号发生器设计[J].核动力工程，2018（6）：186-189.
[2]谭德勇，陆聪，杨维明，等.基于DDS技术的LFM信号产生与FPGA实现[J].计算机测量与控制，2019（11）：275-279.
[3]黎梦婷，李华峰.基于DDS的SPWM波的驱动电路设计[J].国外电子测量技术，2020（6）：1-5.
[4]沈阳，杨钦鹏，曹洪奎，等.基于DDS的频率特性测量系统的设计[J].科技与创新，2020（8）：7-8.
（编辑 王雪芬）
关键词：DDS;FPGA芯片;电路结构;仿真
0 引言
随着现代电子技术的不断发展，经常需要在通信系统的一定频率范围内提供一系列稳定、准确的频率信号，而典型的振荡器已不能满足频率合成技术的要求。直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）是一种信号合成技术，可通过D/A转换器将一系列数据类型的信号转换为模拟形式[1]。针对当今的高频应用，使用DDS设计适合用户需求的FPGA系统是一个很好的解决方案。
1 DDS原理概述
1.1 原理释义
数字频率合成器（DDS）是数控锁相倍频器。输出频率是参考频率的整数倍，并且压控振荡器输出信号的频率、频率比是利用频率选择控制来实现切换的。经过频率选择控制对压控振荡器输出信号的频率和频率比实现切换。与一般的频率合成器相比，DDS有很多优点，例如成本低、功耗低、分辨率高、转换时间短[2]，这是实现设备全数字化的关键技术力量。
1.1.1 DDS在基本原理
DDS系统的核心是一个相位累加器，累加器是 n 位累加器和n位相位相结合才形成的。每次触发时钟脉冲时，累加器就由相位寄存器和累积相位数据输出的频率控制数据，然后把结果传送到相位寄存器的数据输入端。在将前一个时钟应用于累加器的输入之后，相位寄存器会反馈由累加器生成的新相位数据，从而使加法器根据下一个时钟的行为继续添加频率控制数据[3]。
1.1.2 DDS参数计算
2N/M fc 时钟后，相位寄存器返回其初始状态，正弦查找表在循环后返回其初始位置，并且整个DDS系统输出正弦波。输出正弦波频率如下：
在该设计中，N=10，M是位宽为32且 fc=20 Mhz的频率控制。
1.2 DDS电路仿真结果
将时序分析工具设置为Classtiming analyzer tool，观察电路的最大工作频率 fmax 并以二进制补码形式进行观察。
1.3 参数确定
第一先确定系统的分辨率Δf，最高的频率 fmax，及最高频率 fmax下最少采样点数Nmin再依据需要产生的最高频率 fmax和该频率下的最少采样点数 Nmin，由公式：
然后确定系统时钟 fs 的下限值，但是要满足分辨率计算公式：
推出M=2S，得到相位增量寄存器是S位。确定波形存储器的地址位数W，在这个系统中决定寄存2Z个数据值，所以RAM地址为Z位。
刚开始选用FPGA/CPLD器件作为DDS的实现器件，对于D/A转换器的选择，开始要考虑D/A转换器的转换速率[4]。要实现所需的频率，D/A的轉换速度要大于fmax·Nmin，再根据D/A转换器字长所带来的误差，得到D/A的位数。最后再选择D/A转换器的型号。
2 硬件电路设计
2.1 分频器
信号发生器的出现，控制和显示模拟信号。外部输入为50 MHZ时钟频率，频率由频率控制设备控制在所需范围内。经过D/A的转换，模块将数字信号转换为模拟信号，然后把它显示在示波器上。
2.2 总体设计原理
基于VHDL语言，设计简单的多功能信号发生器，选择输入信号，再输出正弦波、三角波、方波、锯齿波4种波形信号。信号发生器的控制模块是可以用一个数据选择器来实现的，并且可以由4个信号的一个数据选择器来实现。同时，该设计使用了一种图解方法来调用正弦、三角波。方波和锯齿波以及4个数据选择器组件之一。
2.3 基于DDS的FPGA实现
相位累加器和相位寄存器主要功能是对输出波形的频率进行积累和调整。它作为QuartusII可编程逻辑器件系统，是因为开发工具才设计出来的。先打开QuartusII，建立新的项目管理文件，再在项目管理文件中建新的VerilogHDL源程序文件，最后用VerilogHDL编写一个程序来实现这个功能。在这个过程中可以将其描述为模块。
3 结语
在本设计中，基于FPGA的实验平台设计并实现了基于DDS（直接数字频率合成）技术的波形信号发生器的工作原理和设计过程，以满足各种功能指标的要求。根据DDS在FPGA开发平台中的工作方式，以VerilogHDL语言设计和实现DDS的直接频率合成。波形数据通过D/A转换，外部滤波和整形电路以及正弦波进行处理，具有可调频率输出的出色实用性。
[参考文献]
[1]王磊，李翔，胡建荣.基于DDS技术的电荷信号发生器设计[J].核动力工程，2018（6）：186-189.
[2]谭德勇，陆聪，杨维明，等.基于DDS技术的LFM信号产生与FPGA实现[J].计算机测量与控制，2019（11）：275-279.
[3]黎梦婷，李华峰.基于DDS的SPWM波的驱动电路设计[J].国外电子测量技术，2020（6）：1-5.
[4]沈阳，杨钦鹏，曹洪奎，等.基于DDS的频率特性测量系统的设计[J].科技与创新，2020（8）：7-8.
（编辑 王雪芬）