| 新乡职业技术学院 453006 【文章摘要】 采用FPGA 芯片及数模转换器，利 用直接数字频率合成（DDS）技术，设计 实现了一个相位、频率可控的正弦波 信号发生器，与此同时描述了直接数 字频率合成技术的工作机理、电路组 成及设计的思路和实现方法。通过设 计和对电路进行测试，输出正弦波形 达到了要求，控制比较灵活、性能好， 同时也证实了基于FPGA 的直接数字 频率合成技术的可行性和可靠性。 【关键词】 现场可编程门阵列（FPGA）；正弦信号 发生器；直接数字频率合成（DDS） 0 引言 DDS 即直接数字频率合成技术，在 1971 年，由美国学者B.Gold 和J.Tiercy,M. Rader 首次提出，以数字信号处理为基础, 从相位角度出发的来直接输出所要波形 的一种全新的数字技术频率合成方法。自 1971 年到现在，直接数字频率合成技术已 经由一个新事物逐步发展为一种重要的 设计工具。FPGA 自从1985 年由Xilinx 公司推出第一颗现场可编程逻辑组件之 后，已经发展了二十多年。FPGA 不仅能 够对电子系统小型化、可靠性高等问题进 行解决之外，而且开发周期短、投入低、价 格便宜，使得FPGA 成为首选。 1 直接数字频率合成（DDS）工作原理 直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis, 即DDFS，一般简称 DDS) 是从相位角度出发的直接合成所要 波形的一种全新的频率合成技术。DDS 的主要优点是它能够在微控制器的控制 下精确而快速的变换输出频率、相位和幅 度，同样也可以利用DDS 技术产生其他任 意的波形。其原理如图1 所示。 DDS 的工作原理是以数控振荡器的 方式产生相位、频率可控制的正弦波。电 路一般包括基准时钟、幅度/ 相位转换电 路、频率累加器、相位累加器、低通滤波器 和数模转换器。相位步进量为输入的频率 控制字（X），当作相位累加器的增量；相 位控制字通过相位调制器来设置波形的 起始相位；系统时钟是对相位调试器、累 加器和数模转换器提供时序的控制。 2 DDS 正弦波发生器的设计思路 采用DDS 技术设计一个信号发生器， 其原理框图如图2 所示： 本设计为利用单片机和FPGA 实现 的DDS 正弦波信号发生器，整个DDS 正 弦波信号发生器由单片机系统、FPGA 系 统、模拟系统三部分组成，系统原理框图 如下图所示： FPGA 内部DDS 系统的设计：FPGA 内部分为四个模块：DDS 子系统、4X4 键盘接口、地址译码电路、LCD 模块接口。 根据DDS 原理可知，DDS 子系统由相位 累加器、频率字寄存器、波形数据存储器 等几个模块组成。下面先来介绍波形数据 存储器的功能：第一，单片机可以利用并 行总线把正弦波波形数据写入存储器； 第二，在相位累加器输出地址的控制下将 波形数据按顺序传给高速数模转换器。 C8051F360 单片机的P1 口分时段送出低 8 位的地址和8 位的数据信息。在FPGA 内部设计一个8 位锁存器可以获得低8 位地址。相位累加器是DDS 子系统的核 心模块，由32 位的累加寄存器与加法器 级联而成，对频率控制字的频率大小进行 累加运算，输出的是波形存储器的地址。 由于DDS 的频率字为32 为，因此，频率字 寄存器包括4 个8 位寄存器。将地址译码 器发出的片选信号CS2 和地址信号A1、 A0 配合再次译码就能够得到4 个寄存 器片选信号CS20、CS21、CS22、CS23。 为了保证数据传送的可靠性，片选信号 CS20~CS23 必须和写信号先或后传入寄 存器时钟输入端。单片机模块通过4 次写 操作将32 位的频率字传入频率字寄存器。 单片机控制软件模块的设计：DS 信 号发生器利用FPGA 等组件来完成正弦 波形波形的高速产生，其工作不需要单片 机过多干预。单片机子系统模块只要实现 键盘的输入、液晶屏的显示、向FPGA 发 送数据、输出信号的幅值和对直流偏移量 的数字控制等功能。单片机控制软件是一 个实现单线程、键盘功能的分支程序。 3 实验数据的测试 用存储示波器来测量反向放大器的 模拟输出端正弦波信号, 测试频率设为 100KHz。输出结果如图4 所示。 4 总结 本文介绍了基于FPGA 的直接数字 频率合成(DDS) 设计，实现了一个正弦波 信号发生器，并且阐述了其工作原理、思 路及实现方法。本设计依照技术要求进行 计算并且进行编程，通过仿真以及电路测 试，输出波形达到设计要求，通过设计也 对DDS 技术的原理和实现方法有了更深 入的了解和认识。设计证明了采用FPGA 设计实现DDS 信号发生器的可行性和可 靠性，也更为灵活。并且FPGA 芯片支持 系统现场修改和现场调试，性能基本能达 到绝大多数系统的要求，因此，将DDS 技 术嵌入到FPGA 芯片所组成的系统中，将 使得系统具有更高的性价比。 |
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