DDS技術(shù)在EDA課程實踐教學(xué)中的推廣

摘要：直接數(shù)字頻率合成器（DDS）廣泛用于電子通信、儀器儀表等領(lǐng)域，并且頻繁出現(xiàn)在電子設(shè)計競賽中，很有必要在電子信息、電氣自動化學(xué)科本科生教學(xué)中進行推廣。文章首先分析DDS原理，提出DDS課程設(shè)計的實驗方案設(shè)計和組織方法，目的在于使學(xué)生掌握DDS技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生電子系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力和“自頂向下”的設(shè)計思想。

關(guān)鍵詞：DDS技術(shù)；EDA；實踐教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

1. 引言

1971年，Tierney等人提出直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer， DDS）概念，即以全數(shù)字技術(shù)，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)[1]。這是頻率合成技術(shù)的一次革命性創(chuàng)新，但是受到當(dāng)時微電子技術(shù)限制，DDS并未得到足夠重視，隨著現(xiàn)代EDA技術(shù)和集成電路工藝的進步，DDS技術(shù)得到飛躍發(fā)展[2]。DDS技術(shù)完全由數(shù)字方式合成所需頻率的波形，與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，改善了頻率的精度和穩(wěn)定度，并且具有分辨率高、快速轉(zhuǎn)換、低功耗、低成本等優(yōu)點，廣泛用于通信、雷達、電子儀器儀表等領(lǐng)域，是實現(xiàn)電子設(shè)備數(shù)字化的一項關(guān)鍵技術(shù)。

基于DDS技術(shù)的函數(shù)發(fā)生器能夠產(chǎn)生多種波形，通常采用專用集成芯片實現(xiàn)，但是不易調(diào)試開發(fā)和集成，使用受到限制。隨著可編程邏輯器件（FPGA）的不斷發(fā)展，利用DDS技術(shù)在FPGA平臺上實現(xiàn)各種高性能的信號發(fā)生器，成本更低，與其他功能模塊接口靈活，便于系統(tǒng)集成，利于設(shè)備的數(shù)字化和小型化，得到廣泛應(yīng)用[3]。

鑒于DDS技術(shù)在通信、電子系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，有必要在電子信息類和電氣自動化類的專業(yè)課程中對該技術(shù)進行推廣。通過EDA課程的實踐或?qū)嶒炚n程，使學(xué)生掌握DDS技術(shù)的原理和設(shè)計方法是很有必要的[4]。另外，DDS技術(shù)在近幾年如火如荼的學(xué)科競賽中出現(xiàn)的頻率越來越高，全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中多個題目涉及到了DDS技術(shù)，如實用信號源的設(shè)計和制作（1995年）、波形發(fā)生器（2001年）、正弦信號發(fā)生器（2005年）、簡易頻率特性測試儀（2013年）等。

在EDA實踐課程中推廣DDS技術(shù)，可以培養(yǎng)學(xué)生“自頂向下的”的設(shè)計思想和數(shù)字系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力。

2. DDS原理和技術(shù)指標

2.1 DDS工作原理

DDS的工作原理如圖1所示，輸入信號為系統(tǒng)時鐘、頻率控制字和相位控制字，系統(tǒng)由相位累加器、正弦查找表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。DDS系統(tǒng)的核心為相位累加器，由N位的加法器和N位的相位寄存器構(gòu)成，加法器將頻率控制字和相位寄存器輸出的累加相位值相加，相加結(jié)果作為寄存器輸入，在下一個時鐘周期與頻率控制字繼續(xù)累加。寄存器輸出與相位控制字求和，可以改變生成信號的初始相位。正弦查找表存放在存儲器中，相位累加值作為存儲器的地址，讀取正弦波形的數(shù)據(jù)。波形采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換后，生成階梯信號，通過低通濾波后，得到平滑的模擬波形。

圖1 DDS的工作原理

2.2 DDS技術(shù)指標分析

DDS系統(tǒng)中，相位累加器的位寬為N，查找表的地址線位寬為R，即存儲器大小為2R，累加器N位數(shù)據(jù)的高R位用于存儲器的地址。系統(tǒng)時鐘頻率為 ，如果累加器步進值（頻率控制字）為1，當(dāng)累加2N個數(shù)時，存儲器中的正弦查找表會輸出一個完整的波形，該波形的頻率值為

（1）

當(dāng)頻率控制字為M時，累加的步長為M，那么產(chǎn)生的波形頻率為

（2）

反之，若要求生成頻率為 的波形時，可以得到頻率控制字

（3）

頻率控制字M的最小值和步進值為1，所以輸出波形頻率的最小值和分辨率為

（4）

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，DDS輸出的理論最高頻率為

（5）

累加器的值從0開始累加，正弦查找表輸出存儲器地址0對應(yīng)的數(shù)據(jù)，當(dāng)相位控制字為P時，存儲器輸出P對應(yīng)的地址存儲的數(shù)據(jù)，改變相位控制字的值，可以改變正弦查找表的首地址，從而改變信號的初始相位。

3. DDS課程設(shè)計

3.1 實驗方案設(shè)計

DDS的實驗（實踐）課程以Xilinx公司的Spartan-6系列FPGA為平臺，以ISE軟件為開發(fā)環(huán)境，在FPGA上完成DDS系統(tǒng)的開發(fā)和驗證。DDS實現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2 DDS信號發(fā)生器實現(xiàn)方案

DDS信號發(fā)生器首先包含人機交互模塊，利用按鍵實現(xiàn)參數(shù)的輸入，可以設(shè)定頻率值、相位值和波形類型，F(xiàn)PGA將按鍵設(shè)定的工作參數(shù)通過LCD控制器模塊，驅(qū)動1602LCD顯示，將參數(shù)值轉(zhuǎn)換為控制字輸送給DDS模塊。DAC芯片選用DAC7621，是12位并行輸入DAC，轉(zhuǎn)換速率設(shè)置為1MHz，所以系統(tǒng)時鐘選擇1MHz，相位累加采用32位，那么系統(tǒng)輸出信號的分辨率（最小頻率）可達到

（6）

系統(tǒng)輸出信號的最高頻率理論可達系統(tǒng)時鐘的一半，但是為了波形平滑，一個周期內(nèi)采樣點數(shù)至少為4，最高頻率可達

（7）

波形存儲器采用多個ROM IP核實現(xiàn)，ROM大小為512×12bit，相位累加器的輸出32位總線中的高9位作為ROM的地址。ROM中存儲正弦信號、三角波等多種信號，可以通過按鍵切換波形。ROM輸出數(shù)據(jù)送給DAC控制器，控制DAC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，DAC輸出的階梯波形通過低通濾波器平滑。

3.2. 實驗管理

DDS信號發(fā)生器功能比較復(fù)雜，模塊較多，需要至少兩周時間的EDA課程實踐或課程設(shè)計才能完成該項目。EDA課程實踐實施前一周，向?qū)W生公布實踐題目及要求，要求學(xué)生提前查閱相關(guān)資料，了解DDS的原理。第一次實踐課程中，教師向?qū)W生講解實踐要求，對DDS的實驗方案進行講解。學(xué)生在課程實踐期間，需要對方案進行詳細設(shè)計，綜合運用自己學(xué)過的知識，完成DDS實驗項目的按鍵處理、顯示控制、DAC接口控制、累加器設(shè)計、ROM的使用等設(shè)計工作，并完成功能仿真、調(diào)試與測試，獨立撰寫設(shè)計報告。

考慮到學(xué)生能力的差異性及對EDA興趣的濃厚程度的不同，在DDS基本實驗內(nèi)容上進行擴展，要求學(xué)有余力的學(xué)生實現(xiàn)掃頻信號發(fā)生器和FM調(diào)制波形發(fā)生器。

實踐結(jié)束，對學(xué)生實踐環(huán)節(jié)進行評價時，按照3：7比例對學(xué)生的設(shè)計報告和系統(tǒng)分別評分。設(shè)計報告主要考察學(xué)生對DDS原理的理解程度和設(shè)計調(diào)試過程，培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)報告的撰寫能力。系統(tǒng)實現(xiàn)主要考察學(xué)生對DDS的完成情況及FPGA的使用水平。對于未完整實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同學(xué)，可以考察學(xué)生的各個模塊完成情況，按照各個模塊對學(xué)生進行評分；對于完成系統(tǒng)設(shè)計的同學(xué)，可以考察學(xué)生實現(xiàn)的功能和指標，以及擴展功能的完成程度，對學(xué)生進行評價。實踐環(huán)節(jié)的組織管理和評價充分考慮學(xué)生水平的差異性，保證各個層次的同學(xué)在實驗中均能充分發(fā)揮自己的潛力，展現(xiàn)自己的優(yōu)勢，能在實踐中有所收獲。

4. 總結(jié)

通過在EDA實踐課程中引入DDS技術(shù)，完成一個功能齊全的信號發(fā)生器設(shè)計，使學(xué)生掌握DDS的原理和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力和“自頂向下”的設(shè)計思想。

參考文獻

[1]Tierney J， Rader C M， Gold B. A digital frequency synthesizer[J]. IEEE Transactions on Audio Electroacoustics， 1971， 19（1）：48-57.

[2]張濤，陳亮.現(xiàn)代DDS的研究進展與概述[J].電子科技，2008，21（3）：73-77.

[3]高士友，胡學(xué)深，杜興莉等.基于FPGA的DDS信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，（16）：35-40.

[4]葉齊鑫，董甲瑞，侯國屏.一個DDS技術(shù)應(yīng)用的實驗教學(xué)方案[J].實驗技術(shù)與管理，2004，21（3）：40-46