1 引言
直接數(shù)字頻率合成器(DDS)技術(shù),具有頻率切換速度快,很容易提高頻率分辨率、對硬件要求低、可編程全數(shù)字化便于單片集成、有利于降低成本、提高可靠性并便于生產(chǎn)等優(yōu)點。目前各大芯片制造廠商都相繼推出采用先進CMOS工藝生產(chǎn)的高性能和多功能的DDS芯片,專用DDS芯片采用了特定工藝,內(nèi)部數(shù)字信號抖動很小,輸出信號的質(zhì)量高。然而在某些場合,由于專用的DDS芯片的控制方式是固定的,故在工作方式、頻率控制等方面與系統(tǒng)的要求差距很大,這時如果用高性能的FPGA器件設(shè)計符合自己需要的DDS電路就是一個很好的解決方法,它的可重配置性結(jié)構(gòu)能方便的實現(xiàn)各種復(fù)雜的調(diào)制功能,具有很好的實用性和靈活性。
2 DDS調(diào)頻信號發(fā)生器框圖設(shè)計
3 DDS調(diào)頻信號發(fā)生器FPGA電路設(shè)計
圖2給出了DDS調(diào)制信號發(fā)生器核心單元的FPGA電路設(shè)計圖。其設(shè)計方案采用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C6T144C6芯片,加法器為12位,調(diào)制信號波形存儲器為4096×12BIT,載波信號波形存儲器為4096×12BIT,系統(tǒng)時鐘為80MHz;設(shè)計性能參數(shù):載波頻率可達10MHz(為確保波形不失真,一周期至少取8點),調(diào)制頻率范圍0~100K,調(diào)頻深度0~10。外部電路輸入有調(diào)制信號頻率控制字Kh[11..0],載波信號頻率控制字Kc[11..0],頻偏控制字Kx[11..0],調(diào)制信號系統(tǒng)時鐘TZCLK,載波信號系統(tǒng)時鐘ZBCLK。Kh[11..0]經(jīng)累加器A輸出累加相位ADDA[11..0]作為調(diào)制信號查找表的地址,波形數(shù)據(jù)Qa[11..0]和Kx[11..0]和Kc[11..0]經(jīng)過數(shù)值變換后輸出調(diào)頻控制字K[11..0]。K[11..0]經(jīng)累加器B輸出累加相位ADDB[11..0]作為調(diào)頻信號查找表的地址,波形數(shù)據(jù)Qb[11..0]經(jīng)外部DAC轉(zhuǎn)換和低通濾波得到調(diào)頻信號波形。其中,在兩個累加器后相連的DFF緩沖器有助于消除毛刺的影響,進一步確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
4 仿真及實驗
取載波系統(tǒng)時標頻率1MHz,調(diào)制信號系統(tǒng)時標頻率100KHz,相位累加器位數(shù)8位,兩個波形存儲器地址位數(shù)和數(shù)據(jù)位數(shù)都為8位。用QUERTUS Ⅱ 3.0 仿真,見圖3;
圖3 DDS調(diào)頻波仿真圖(QUERTUS II)
用matlab 6.5仿真見圖4;
用AEDK-EDA實驗箱下載(其FPAG芯片為EPF10K10TC144-4),D/A轉(zhuǎn)換及單極性輸出電路用ispPAC20芯片實現(xiàn),通過Tektronix TDS3054B示波器觀察波形,結(jié)果見圖5。其中D/A位數(shù)為8,測量范圍-4-+4V,載波信號峰值1.414V,由圖4和圖5頻率調(diào)制解調(diào)波形數(shù)據(jù)可得載波頻率為14.2kHz,誤差-3.06%;調(diào)制頻偏為480Hz,誤差-1.69%;調(diào)制度為M=10.21%,誤差2.1%,調(diào)制頻率為4.82kHz,誤差-1.23%。從實驗結(jié)果可以看出本文提供的設(shè)計理論及設(shè)計電路的不但正確、可行,并具有良好的性能參數(shù)。所有設(shè)計、仿真及實驗結(jié)果的一致,為DDS調(diào)頻信號發(fā)生器FPGA實現(xiàn)提供了優(yōu)良的設(shè)計方案。
圖4 DDS調(diào)頻波仿真圖(matlab)
圖5 DDS調(diào)頻波實驗結(jié)果圖
5 總結(jié)
用FPGA實現(xiàn)DDS調(diào)頻信號電路較采用專用DDS芯片更為靈活,只要改變FPGA中ROM內(nèi)的數(shù)據(jù)和控制參數(shù),DDS就可以產(chǎn)生任意調(diào)制波形,且分辨率高,具有相當大的靈活性。相比之下,DDS的功能完全取決于設(shè)計需求,可以復(fù)雜也可以簡單,而且FPGA芯片還支持在系統(tǒng)現(xiàn)場升級。另外,將DDS設(shè)計嵌入到FPGA芯片所構(gòu)成的系統(tǒng)中,其系統(tǒng)成本并不會增加多少,而購買專用芯片的價格則是前者的很多倍。所以采用FPGA來設(shè)計DDS系統(tǒng)具有很高的性價比。