引言

在電子信息領(lǐng)域,，函數(shù)發(fā)生器(信號源)是通用的設(shè)備,。近年來電子信息技能 的飛速發(fā)展，使得各領(lǐng)域?qū)π盘栐吹囊笤诓粩嗵岣?。不但要求其頻率穩(wěn)定度和精確 度高,，要求頻率改動 的方便性，而且還要求可以產(chǎn)生任意波形,，輸出不同幅度的信號等,。而實現(xiàn)頻率合成要領(lǐng) 有許多種，但基本上可以歸納為直接頻率合成和間接頻率合成兩大類要領(lǐng) ,。采用傳統(tǒng)的頻率合成技能 要實現(xiàn)上述要求,，幾乎是不可能的。DDFS技能 是自21世紀70年代出現(xiàn)的一種新型的直接頻率合成技能 ,。DDFS 技能 是在信號的采樣定理的基礎(chǔ)上提出來的,，從“相位”的概念出發(fā)，執(zhí)行 頻率合成,，不但可運用 晶體振蕩的高頻率穩(wěn)定度,、高精確 度，且頻率改動 方便,，轉(zhuǎn)換速度快，便于產(chǎn)生任意波形等,，因此,，DDFS技能 是目前高精密度信號源的核心技能 。目前已有專用的DDFS芯片,，如美國AD公司的AD9850等可用于DDS 信號源的開發(fā),，但其成本較高。

　1 DDFS原理

DDFS的原理：將對正弦等各種信號的采樣量化數(shù)據(jù)存入ROM存儲器中,，在時鐘的控制下,，依次或隔一定步進讀取ROM中的數(shù)據(jù),，再通過D／A轉(zhuǎn)換芯片及后級的低通濾波器來實現(xiàn)頻率合成的一種要領(lǐng) 。其原理框圖如圖1所示,。其主要的組成部分包括：相位累加器(也可理解為ROM存儲單元的讀地址發(fā)生單元),、正弦信號采樣量化數(shù)據(jù)存儲ROM表、D／A轉(zhuǎn)換及低通濾波器,。

DDFS參數(shù)計算：DDFS的主要參數(shù)包括正弦信號的采樣點數(shù),，最高輸出頻率fomax，最低輸出頻率fomax及頻率分辨率△fo等,。根據(jù)DDFS原理可知,，在時鐘控制下將所有ROM存儲數(shù)據(jù)依次讀出，則輸出的信號周期最長Tomax=NTc,，即輸出頻率最低為fomax,；只讀出兩個點(∏／2和 3∏／2)的采樣數(shù)據(jù)，則輸出的信號周期最短Tomin=2Tc,，即輸出頻率最高為fomax,。其中Tc為時鐘周期。相應(yīng)計算如下,。(1)輸出信號頻率通式：fo=Sfc／2n,，其中2n為采樣點個數(shù)N，故可知n為采樣后ROM的地址位數(shù),；其中S為步進長度,，即每S個地址取一個采樣點；

(2)輸出最低頻率

(3)輸出最高頻率

查看原圖（大圖）雖然根據(jù)奈奎斯特采樣定理,，一個周期采樣兩個點即可保證信號的頻譜信息不丟失,，但為了輸出信號濾波后失真較小，一個周期至少采樣8個點,；故可知S的取值范圍應(yīng)該為1～2n-3,；
(4)頻率分辨率△fo：△fo=fc／2n，與最低頻率一致,。

2 DDFS的FPGA實現(xiàn)的參數(shù)計算

本設(shè)計充分運用 CycloneII系列FPGA芯片EP2C35的片上資源來實現(xiàn)一個基于DDFS的正弦信號源,。由于此芯片的片上可用ROM單元為483，840位二進制,，因此,，片上ROM資源只能夠存儲215(32768)個8位二進制采樣點的數(shù)據(jù)。

(1)ROM資源優(yōu)化：由于是正弦信號,，因此只要采樣其(0,，n／2)區(qū)間上的函數(shù)值，即可根據(jù)其周期性及對稱性，求出其他區(qū)間上的相應(yīng)的函數(shù)值,。故,，雖然片上資源只能存儲215(32768)個8位二進制數(shù)據(jù)，但運用 正弦信號的對稱性,，可實現(xiàn)217點采樣,。由于正弦信號在(n～2n)間為負值，因此輸出函數(shù)值時,，須要 執(zhí)行 補碼轉(zhuǎn)換,；

(2)地址位長度：ROM的尋址地址為15位二進制數(shù)；

(3)步進位長度：步進最大應(yīng)為217／23=214,，即步進為14位的二進制數(shù),；

(4)相位控制字：相位是指讀取數(shù)據(jù)時，應(yīng)該屬于(0,，2n)上的哪個區(qū)間,，由于共有4個不同的區(qū)間。故可采用2位的二進制數(shù)來標識,；不同的相位區(qū)間,，決定著地址的讀取方向及輸出函數(shù)值能無法 取補碼運算；

(5)任意波形的產(chǎn)生：要產(chǎn)生任意波形,，可運用 任意波形如矩形脈沖,、三角波、鋸齒波等的傅利葉級數(shù)分解表達式,，取其前有限次(如10次)諧波執(zhí)行 求和并存入指定的RAM單元,，再依次讀出數(shù)據(jù)，即可產(chǎn)生任意的信號,。也可以將相應(yīng)波形的數(shù)據(jù)執(zhí)行 采樣,，存入ROM中，按一定步進執(zhí)行 讀取,。通過以上剖析 ,，在充分運用 片上存儲單元，不擴展外部存儲器,，地址時鐘為10 MHz的基礎(chǔ)上,，可得頻率分辨率為△f=78 Hz，輸出信號最高頻率(一個周期最少采樣8個點)為fomax=fc／8=1．25 MHz,；輸出信號最低頻率為fomin=Sfc／2ns=1=fc／217=78 Hz,。若采樣點達到232個及以上，頻率分辨率可以做到0．015 Hz,，達到mHz量級。可見運用 Cyclone II系列芯片設(shè)計出性能優(yōu)良的信號源,。根據(jù)DDFS的原理,，其FPGA設(shè)計原理如圖2所示。其中控制單元由有限狀態(tài)機構(gòu)成,。雖然整個系統(tǒng)的控制不一定須要 運用 有限狀態(tài)機,，但由于運用 的FPGA 芯片不支撐 異步的ROM，即從地址鎖存進入ROM單元,，到數(shù)據(jù)從ROM中讀出有至少一個時鐘周期以上的延時,。因此采用狀態(tài)機來執(zhí)行 控制，可以達到較好的輸出與時鐘同步,?？刂屏鞒虨椋簳r鐘信號進入控制單元，由它產(chǎn)生地址發(fā)生單元的輸入時鐘adrclk,，地址發(fā)生單元在時鐘adrclk的驅(qū)動下,，結(jié)合輸入的步進信號Step，產(chǎn)生地址及此地址所對應(yīng)的象限Phase,，此地址產(chǎn)生后立即輸入到ROM單元中,，過兩個時鐘周期后，控制單元從ROM存儲單元中讀出輸入地址對應(yīng)的數(shù)據(jù),，并在時鐘的控制下,，將前面所產(chǎn)生的象限值Phase與ROM數(shù)據(jù)一起送到補碼轉(zhuǎn)換單元，補碼轉(zhuǎn)換單元根據(jù)Phase的值來決定能無法 須要 執(zhí)行 補碼轉(zhuǎn)換,，若須要 ,，則執(zhí)行 補碼運算并將數(shù)據(jù)輸出，若不須要 ,，則直接將數(shù)據(jù)輸出,。下面給出各模塊的詳細 設(shè)計細節(jié)。

(1)控制單元：控制單元是整個系統(tǒng)的核心部件,。由一個基本 的有限狀態(tài)機構(gòu)成,。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

(2)地址發(fā)生單元：設(shè)計思路為根據(jù)輸入的Step值,，計算出總共四個象限所需取值的點數(shù),，也就可以計算出一個象限所要取值的點數(shù)m，然后在時鐘作用下執(zhí)行 計數(shù),，當計數(shù)值達m個時,，說明一個象限內(nèi)已經(jīng)取完點，此時phase自加1,，計數(shù)變量重新置零,。由于在(0，π／2)sin的函數(shù)值為從0→1變化； (π／2,，π)函數(shù)值從1→0變化,；(π，3π／2)函數(shù)值從0→－1變化,；(3π／2,，2π)函數(shù)值從－1→0變化。故在(0,，π／2)和 (π,，3π／2)地址值從0→32767，每隔一個步進Step讀一個數(shù)據(jù),，當然后者的數(shù)據(jù)要經(jīng)過補碼單元的處理,；而在(π／2，π)和 (3π／2,，2π)象限,，地址值則從32767→0，每隔一個步進Step讀一個數(shù)據(jù)即可,，同樣的,，后者的數(shù)據(jù)也要經(jīng)過補碼單元的處理。(4)補碼轉(zhuǎn)換單元：根據(jù)目前地址所處象限來決定能無法 須要 執(zhí)行 補碼轉(zhuǎn)換,。如產(chǎn)生正弦信號時,，(0，π)象限sin函數(shù)值為正,，而(π,，2π)象限上sin 函數(shù)值為負，因此在(π,，2π)象限時,，須要 對輸出數(shù)據(jù)執(zhí)行 補碼轉(zhuǎn)換。補碼轉(zhuǎn)換單元較基本 ,，根據(jù)二進制數(shù)取補的原理執(zhí)行 設(shè)計即可,。

　4 結(jié)果剖析

本設(shè)計在QuartusII6．0的平臺上完成設(shè)計工作，其仿真波形如圖4所示,。在仿真波形中配置 的步進長度為1024點,。由于有狀態(tài)機執(zhí)行 流程控制，產(chǎn)生的波形較平滑,，元多滑毛刺產(chǎn)生,。若要進一步提高輸出信號頻率范圍，則設(shè)計流程 中,，不應(yīng)對時鐘信號執(zhí)行 分頻,。

同時,，還可以運用 QuartusII的SigTapII工具對所設(shè)計的程序執(zhí)行 硬件驗證，配置 好相應(yīng)步進后,，相應(yīng)的輸出波形如圖5及圖6所示,。可見所產(chǎn)生的低頻正弦信號波形平滑,，而頻率較高時有一定的毛刺，這可以通過后級的低通濾波電路(如切比雪夫低通濾波網(wǎng)絡(luò)等)來執(zhí)行 濾除,。

本設(shè)計運用 的邏輯單元只占FPGA片上資源的1％,，存儲單元占54％，I／O口占13％,?？梢娭饕Y源為片上的存儲單元，如果提高一位地址位,，則數(shù)據(jù)量翻倍,，F(xiàn)PGA片上ROM不夠用。通過QuartusII6．0的時鐘剖析 ,，本設(shè)計可達到的最高時鐘為149．41 MHz,，而地址發(fā)生的時鐘為時鐘的4分頻，故地址發(fā)生單元的最高時鐘可達37．352 5 MHz,，相應(yīng)的輸出信號最高頻率可達4．665 MHz,，相應(yīng)的最低頻率及頻率步進為284．976 Hz。

  5 結(jié)束語

本設(shè)計在不向外擴展ROM存儲器的情況下,，對DDFS設(shè)計執(zhí)行 優(yōu)化,，充分運用 Cyclone II系列FPGA的片上資源，其輸出正弦信號最高頻率可達4 MHz以上,。只要采用更好的方案執(zhí)行 設(shè)計,，使采樣點可以做到232個及以上，頻率分辨率可以做到0．015 Hz,，達到mHz量級,，進一步提高信號源的輸出信號頻率范圍及頻率分辨率等技能 指標，可運用 Cyclone II系列芯片設(shè)計出性能優(yōu)良的信號源,，達到實用信號源的要求,。