基于DDS技术的波形发生器设计与仿真

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1.引言
        DDS频率合成器具有频率分辨率高，输出频点多，可达2N个频点(假设DDS相位累加器的字长是N);频率切换速度快，可达us量级;频率切换时相位连续的优点，可以输出宽带正交信号，其输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用;可以产生任意波形;全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。
       
        本文介绍了DDS的基本原理，同时针对DDS波形发生器的FPGA实现进行了简要介绍，利用SignalTapII嵌入式逻辑分析仪对正弦波、三角波、方波、锯齿波进行仿真验证。
       
        2.DDS波形发生器的FPGA实现
       
        FPGA的应用不仅使得数字电路系统的设计非常方便，而且它的时钟频率已可达到几百兆赫兹，加上它的灵活性和高可靠性，非常适合用于实现波形发生器的数字电路部分。使用FPGA设计DDS电路比采用专用DDS芯片更为灵活，只需改变FPGA中的ROM数据，DDS就可以产生任意波形，具有相当大的灵活性。
       
        2.1 FPGA设计流程
       
        FPGA的设计框图如图1所示，FPGA的主要功能是：产生与外围电路的接口电路，使其能够接受外围逻辑控制信号;保存频率字，并构成相位累加器，产生与主时钟相同频率的RAM寻址字;用内部的存储块构成存放多种波形数据的ROM,并通过相应的控制线进行选择;构造出两个多波形选择输出的输出通道，其中的一路通道可具备移相功能;用内部的PLL倍频外部低频晶振，并输出与主时钟同频的时钟，驱动片外高速D/A.
       
        2.2 时钟模块
       
        根据耐奎斯特采样定理要得到输出频率为10MHz的信号，其所输入的信号时钟频率必须达20MHz以上。采样频率越高，输出波形的平坦度越好，同时波形的的采样点数也越多，那么获得的波形质量也就越好。本设计中的DDS模块是一高速模块，所以对系统时钟就有很高的要求，不仅需要有较高的频率，而且还要有非常高的稳定性，如果在FPGA的时钟端直接加一高频晶振，不仅时钟不稳定，而且功耗大，费用高，在本设计中，直接调用Altera公司的PLL核，在FPGA时钟端只需加一低频晶振，通过FPGA内部PLL倍频达到系统时钟要求，输出的时钟相位偏移在允许范围内。
       
        2.3 DDS控制模块
       
        (1)频率控制字输入模块
       
        频率控制字输入模块如图2所示，数据选择器控制输入16位频率控制字。
       
       
        (2)步进频率控制模块
       
        步进频率控制模块如图3所示，通过一个乘法器来控制步进频率，具体算法如下：f步进=fc*2147/232.
       
       
        通过改变乘法器的乘数来改变步进频率。要使步进为1Hz那么乘法器的乘数为22.
       
        (3)频率累加器
       
        频率累加器模块如图4所示，通过一个32位加法器跟32位寄存器构成频率累加器，频率控制字高4位为0.
       
       
        (4)相位寄存器
       
        相位寄存器模块如图5所示，通过一个8位加法器跟8位寄存器构成相位寄存器并产生8位波形数据地址。
       
         
       
        (5)波形存储器设计
       
        波形数据ROM就是存放波形数据的存储器，大多波形发生器产品都将波形数据存放在外部的ROM中，这样使得各部分结构清晰，测试、维护更加方便但由于ROM本身读取速度慢的缺点，使得整个系统性能下降，工作频率下降，为了解决以上问题，本设计使用的是用FPGA设计出ROM,在FPGA中存放波形数据，使用Quartus II9.0中的Mega Wizard Plug-In Manager来生成一个ROM,如图6所示。
       
        Mega Wizard Plug-In Manager的设置，根据设计的要求，经过七步的设置，就可以生成一个ROM的IP核。当在波形ROM中固化所需波形的一个周期的幅度值后，由地址发生器产生的地址对波形ROM寻址，依次可取出送至D/A转换及滤波后即可得到所需的模拟波形输出。计算波形数据可以有两种方法：C语言与matlab计算。
       
        3.仿真实验结果
       
        按照第2节的系统设计，设计程序下载到FPGA芯片，使用QuartusII软件自带SignalTapII嵌入式逻辑分析进行仿真，观察信号波形图，正弦波如图7,三角波如图8,方波如图9,锯齿波如图10.
       
       
        4.总结
       
        经实验结果表明，通过DDS技术合成的波形具有良好的稳定性，易于控制和调节，利用FPGA能在很短时间内快速构建任意波形，提高了设计效率，具有实际应用价值。