基于DDS技術(shù)的模擬頻率調(diào)制電路設計及FPGA實現(xiàn)

牟珊

摘 要：科學技術(shù)的進步對波形發(fā)生器的各個方面都提出了很高的要求。如今直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）以其高分辨率而得到了廣泛的應用。快速的頻率轉(zhuǎn)換和連續(xù)的相變而被廣泛用于數(shù)字通信系統(tǒng)，并已成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)的領(lǐng)導者。文章介紹了DDS的原理，并介紹了使用Altera Cyclone 1 EP1CQ240C8 FPGA芯片實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器的工作原理、設計思想、電路結(jié)構(gòu)、仿真結(jié)果和頻譜純度分析。

關(guān)鍵詞：DDS;FPGA芯片;電路結(jié)構(gòu);仿真

0? ? 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)常需要在通信系統(tǒng)的一定頻率范圍內(nèi)提供一系列穩(wěn)定、準確的頻率信號，而典型的振蕩器已不能滿足頻率合成技術(shù)的要求。直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）是一種信號合成技術(shù)，可通過D/A轉(zhuǎn)換器將一系列數(shù)據(jù)類型的信號轉(zhuǎn)換為模擬形式[1]。針對當今的高頻應用，使用DDS設計適合用戶需求的FPGA系統(tǒng)是一個很好的解決方案。

1? ? DDS原理概述

1.1? 原理釋義

數(shù)字頻率合成器（DDS）是數(shù)控鎖相倍頻器。輸出頻率是參考頻率的整數(shù)倍，并且壓控振蕩器輸出信號的頻率、頻率比是利用頻率選擇控制來實現(xiàn)切換的。經(jīng)過頻率選擇控制對壓控振蕩器輸出信號的頻率和頻率比實現(xiàn)切換。與一般的頻率合成器相比，DDS有很多優(yōu)點，例如成本低、功耗低、分辨率高、轉(zhuǎn)換時間短[2]，這是實現(xiàn)設備全數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)力量。

1.1.1? DDS在基本原理

DDS系統(tǒng)的核心是一個相位累加器，累加器是 n 位累加器和n位相位相結(jié)合才形成的。每次觸發(fā)時鐘脈沖時，累加器就由相位寄存器和累積相位數(shù)據(jù)輸出的頻率控制數(shù)據(jù)，然后把結(jié)果傳送到相位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。在將前一個時鐘應用于累加器的輸入之后，相位寄存器會反饋由累加器生成的新相位數(shù)據(jù)，從而使加法器根據(jù)下一個時鐘的行為繼續(xù)添加頻率控制數(shù)據(jù)[3]。

1.1.2? DDS參數(shù)計算

2N/M? fc 時鐘后，相位寄存器返回其初始狀態(tài)，正弦查找表在循環(huán)后返回其初始位置，并且整個DDS系統(tǒng)輸出正弦波。輸出正弦波頻率如下：

在該設計中，N=10，M是位寬為32且 fc=20 Mhz的頻率控制。

1.2? DDS電路仿真結(jié)果

將時序分析工具設置為Classtiming analyzer tool，觀察電路的最大工作頻率 fmax 并以二進制補碼形式進行觀察。

1.3? 參數(shù)確定

第一先確定系統(tǒng)的分辨率Δf，最高的頻率 fmax，及最高頻率 fmax下最少采樣點數(shù)Nmin再依據(jù)需要產(chǎn)生的最高頻率 fmax和該頻率下的最少采樣點數(shù) Nmin，由公式：

然后確定系統(tǒng)時鐘 fs 的下限值，但是要滿足分辨率計算公式：

推出M=2S，得到相位增量寄存器是S位。確定波形存儲器的地址位數(shù)W，在這個系統(tǒng)中決定寄存2Z個數(shù)據(jù)值，所以RAM地址為Z位。

剛開始選用FPGA/CPLD器件作為DDS的實現(xiàn)器件，對于D/A轉(zhuǎn)換器的選擇，開始要考慮D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率[4]。要實現(xiàn)所需的頻率，D/A的轉(zhuǎn)換速度要大于fmax·Nmin，再根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器字長所帶來的誤差，得到D/A的位數(shù)。最后再選擇D/A轉(zhuǎn)換器的型號。

2? ? 硬件電路設計

2.1? 分頻器

信號發(fā)生器的出現(xiàn)，控制和顯示模擬信號。外部輸入為50 MHZ時鐘頻率，頻率由頻率控制設備控制在所需范圍內(nèi)。經(jīng)過D/A的轉(zhuǎn)換，模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后把它顯示在示波器上。

2.2? 總體設計原理

基于VHDL語言，設計簡單的多功能信號發(fā)生器，選擇輸入信號，再輸出正弦波、三角波、方波、鋸齒波4種波形信號。信號發(fā)生器的控制模塊是可以用一個數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)的，并且可以由4個信號的一個數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)。同時，該設計使用了一種圖解方法來調(diào)用正弦、三角波。方波和鋸齒波以及4個數(shù)據(jù)選擇器組件之一。

2.3? 基于DDS的FPGA實現(xiàn)

相位累加器和相位寄存器主要功能是對輸出波形的頻率進行積累和調(diào)整。它作為QuartusII可編程邏輯器件系統(tǒng)，是因為開發(fā)工具才設計出來的。先打開QuartusII，建立新的項目管理文件，再在項目管理文件中建新的VerilogHDL源程序文件，最后用VerilogHDL編寫一個程序來實現(xiàn)這個功能。在這個過程中可以將其描述為模塊。

3? ? 結(jié)語

在本設計中，基于FPGA的實驗平臺設計并實現(xiàn)了基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）技術(shù)的波形信號發(fā)生器的工作原理和設計過程，以滿足各種功能指標的要求。根據(jù)DDS在FPGA開發(fā)平臺中的工作方式，以VerilogHDL語言設計和實現(xiàn)DDS的直接頻率合成。波形數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換，外部濾波和整形電路以及正弦波進行處理，具有可調(diào)頻率輸出的出色實用性。

[參考文獻]

[1]王磊，李翔，胡建榮.基于DDS技術(shù)的電荷信號發(fā)生器設計[J].核動力工程，2018（6）：186-189.

[2]譚德勇，陸聰，楊維明，等.基于DDS技術(shù)的LFM信號產(chǎn)生與FPGA實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2019（11）：275-279.

[3]黎夢婷，李華峰.基于DDS的SPWM波的驅(qū)動電路設計[J].國外電子測量技術(shù)，2020（6）：1-5.

[4]沈陽，楊欽鵬，曹洪奎，等.基于DDS的頻率特性測量系統(tǒng)的設計[J].科技與創(chuàng)新，2020（8）：7-8.

（編輯 王雪芬）