直接數(shù)字頻率合成(Direct DIGITAL Synthesize，DDS)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),。它是繼直接頻率合成和間接頻率合成之后發(fā)展起來的第三代頻率合成技術(shù),，突破了前兩代頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進行頻率合成,，這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,、方波,、三角波，而且可以控制波形的初始相位,，還可以用此方法產(chǎn)生任意波形,，目前得到了廣泛的應(yīng)用。
1 DDS的工作原理和基本結(jié)構(gòu)
一個直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器,、加法器,、波形存儲ROM、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成,。DDS的原理框圖如圖1所示,。
圖1中K為頻率控制字，P為相位控制字,，W為波形控制字,，fc為參考時鐘頻率，N為相位累加器的字長,，D為ROM數(shù)據(jù)位及D／A轉(zhuǎn)換器的字長,。相位累加器在時鐘，fc的控制下以步長K作累加,，輸出的N位二進制碼與相位控制字P,，波形控制字W相加后作為波形ROM的地址，對波形ROM進行尋址,，波形ROM輸出D位的幅度碼經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器變成階梯波,，再經(jīng)過低通濾波器平滑后就可以得到合成的信號波形。合成的信號波形形狀取決于波形ROM中存放的幅度碼,，因此用DDS可以產(chǎn)生任意波形,。
設(shè)頻率控制字是K，輸出頻率為f0,，參考時鐘是fc,，相位寄存器為N位，頻率分辨率是△f,，則有：
通過頻率控制字的改變和寄存器位數(shù)的增加,，可以得到令人滿意的頻率。
2 基于FPGA的DDS信號發(fā)生器的設(shè)計
該信號發(fā)生器是作為電路板檢測儀的激勵信號源,，產(chǎn)生的信號分別為：頻率為16 000±0．8 Hz的正弦波,，頻率為128 000±* Hz，64 000±3．2 Hz,，4 000±O．2 Hz的方波和周期為10μs,，占空比為1：4的脈沖信號。下面以正弦波的產(chǎn)生為例說明DDS的實現(xiàn)過程,。當(dāng)f0=16 000 Hz,，N=16時,，根據(jù)式(1)，則K=104,。
2．1 相位累加器
相位累加器主要是根據(jù)頻率控制字生成ROM查找表的地址,，采用硬件描述語言Verilog DHL實現(xiàn)，其源程序為：
文本輸入完畢后,，用QuartusⅡ進行編譯,，然后生成．bsf文件，以便在頂層設(shè)計時調(diào)用,。其生成頂層模塊如圖2所示,。
2．2 ROM查找表
DDS中，波形存儲器的設(shè)計是比較關(guān)鍵重要的一環(huán),。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器的地址,，進行波形的相位與幅值的轉(zhuǎn)換，即可在給定的時間上確定輸出波形的幅值,。N位的尋址ROM相當(dāng)于把O°～360°的周期信號離散成具有2N個樣值的序列,，若波形ROM有D位數(shù)據(jù)位，則2N個樣值的值以D位二進制數(shù)值存放在波形ROM中,，按照地址的不同可以輸出相應(yīng)相位的正弦波和方波的值,。在本設(shè)計中取N=11，則ROM查找表中存儲2 048個波形數(shù)據(jù),，位寬為10位,。
建立ROM查找表首先要生成．mif文件。具體方法是利用quartusⅡ新建．mif文件,，然后填寫這個文件,。這里需借助Matlab填寫．mif文件即可，具體方法如下：
(1)先由QuartusⅡ生成．mif文件,。
(2)在Matlab中編寫如下程序：
(3)在Desktop中workspace中選中數(shù)據(jù)，復(fù)制數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)粘貼于txt文檔中,，保存,。
(4)然后再將txt文檔中的數(shù)據(jù)復(fù)制并粘貼于QuartusⅡ中已建好的．mif文件之中，保存,。
調(diào)用的波形存儲器模塊如圖3所示,。
2．3 頂層模塊的建立
根據(jù)DDS整體電路的工作原理框圖，其核心是由一個ROM存儲器,、一個相位累加器,、一個鎖相環(huán)和相應(yīng)的輸入、輸出信號組成,。其中ROM查找表是輸入地址是相位累加器的高11位,，這在工程上是允許的,。DDS的核心電路模塊圖如圖4所示。
方波和脈沖信號的產(chǎn)生只要將ROM查找表中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的波形即可,，整個信號源的頂層模塊增加了多路選擇開關(guān),。
3 波形仿真及硬件驗證
完成DDS電路設(shè)計后，對電路進行了功能仿真,，通過Matlab顯示了仿真波形,，并通過Altera公司CycloneⅡ系列芯片的DE2-70開發(fā)板結(jié)合嵌入式邏輯分析儀進行了硬件驗證。
3．1 波形仿真
DDS電路在設(shè)計過程中,，進行了功能仿真,，如圖5所示。由于仿真波形為數(shù)字碼,，不能直觀地看出DDS輸出的波形,，為便于調(diào)試設(shè)計電路，首先生成．tbl文件,，再通過相應(yīng)Matlab程序生成的正弦波,、方波、脈沖信號的波形曲線,，如圖6所示,。
圖5和圖6顯示了頻率控制字為68h產(chǎn)生的正弦波、頻率控制字為346h的方波和頻率控制字為27Fh的脈沖信號的功能仿真波形,。從功能仿真波形可以看出,，DDS電路能夠很好地產(chǎn)生電路板檢測儀所需激勵信號。
3．2 硬件驗證
為了能夠更清晰地分析DDS電路,，采用DE2-70開發(fā)板結(jié)合SignalTapⅡ型嵌入式邏輯分析儀對設(shè)計進行實時的硬件驗證,。首先對DDS頂層電路圖做部分修改，主要是進行管腳設(shè)定,。將修改后的頂層文件下載到DE2-70中,，通過SignalTapⅡ型嵌入式邏輯分析儀實時觀測FPGA輸出波形，如圖7所示,。SignalTapⅡ所能顯示的被測信號的時間長度為T,，計算公式如下：
式中：N為SignalTapⅡ的緩存中存儲的采樣點數(shù)，Ts為SignalTapⅡ采樣時鐘的周期,。由圖7和式(3)可得出表1所示結(jié)論,。
產(chǎn)生誤差的主要原因有兩方面，一是截斷誤差,，ROM查找表的地址輸入是相位累加器的高11位,；二是正弦波量化引入的誤差，將正弦信號量化為二進制數(shù)必然引起誤差,。
4 結(jié)語
通過對DDS電路的功能仿真和硬件驗證,，可以看出DDS可以有效地產(chǎn)生所需波形信號,。較傳統(tǒng)的信號發(fā)生器，可以減小體積,、降低功耗,、提高可靠性和靈活性并縮短了開發(fā)周期，具有較高的實用價值,。