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(lái)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(jìn)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(gè)直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲(chǔ)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(shí)鐘頻率，N為相位累加器的字長(zhǎng)，D為ROM數(shù)據(jù)位及D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。相位累加器在時(shí)鐘，fc的控制下以步長(zhǎng)K作累加，輸出的N位二進(jìn)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(duì)波形ROM進(jìn)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(guò)低通濾波器平滑后就可以得到合成的信號(hào)波形。合成的信號(hào)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(shí)鐘是fc，相位寄存器為N位，頻率分辨率是△f，則有：
通過(guò)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(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
該信號(hào)發(fā)生器是作為電路板檢測(cè)儀的激勵(lì)信號(hào)源，產(chǎn)生的信號(hào)分別為：頻率為16 000±0.8 Hz的正弦波，頻率為128 000±6.4 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(hào)。下面以正弦波的產(chǎn)生為例說(shuō)明DDS的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。當(dāng)f0=16 000 Hz，N=16時(shí)，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(yǔ)言Verilog DHL實(shí)現(xiàn)，其源程序?yàn)椋?/p>
文本輸入完畢后，用QuartusⅡ進(jìn)行編譯，然后生成.bsf文件，以便在頂層設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)器的設(shè)計(jì)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(chǔ)器的地址，進(jìn)行波形的相位與幅值的轉(zhuǎn)換，即可在給定的時(shí)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(hào)離散成具有2N個(gè)樣值的序列，若波形ROM有D位數(shù)據(jù)位，則2N個(gè)樣值的值以D位二進(jìn)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(jì)中取N=11，則ROM查找表中存儲(chǔ)2 048個(gè)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(xiě)這個(gè)文件。這里需借助Matlab填寫(xiě).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(xiě)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(chǔ)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(gè)ROM存儲(chǔ)器、一個(gè)相位累加器、一個(gè)鎖相環(huán)和相應(yīng)的輸入、輸出信號(hào)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(hào)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(gè)信號(hào)源的頂層模塊增加了多路選擇開(kāi)關(guān)。
3 波形仿真及硬件驗(yàn)證
完成DDS電路設(shè)計(jì)后，對(duì)電路進(jìn)行了功能仿真，通過(guò)Matlab顯示了仿真波形，并通過(guò)Altera公司CycloneⅡ系列芯片的DE2-70開(kāi)發(fā)板結(jié)合嵌入式邏輯分析儀進(jìn)行了硬件驗(yàn)證。
3.1 波形仿真
DDS電路在設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)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(jì)電路，首先生成.tbl文件，再通過(guò)相應(yīng)Matlab程序生成的正弦波、方波、脈沖信號(hào)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(hào)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(cè)儀所需激勵(lì)信號(hào)。
3.2 硬件驗(yàn)證
為了能夠更清晰地分析DDS電路，采用DE2-70開(kāi)發(fā)板結(jié)合SignalTapⅡ型嵌入式邏輯分析儀對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的硬件驗(yàn)證。首先對(duì)DDS頂層電路圖做部分修改，主要是進(jìn)行管腳設(shè)定。將修改后的頂層文件下載到DE2-70中，通過(guò)SignalTapⅡ型嵌入式邏輯分析儀實(shí)時(shí)觀測(cè)FPGA輸出波形，如圖7所示。SignalTapⅡ所能顯示的被測(cè)信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度為T(mén)，計(jì)算公式如下：
式中：N為SignalTapⅡ的緩存中存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)數(shù)，Ts為SignalTapⅡ采樣時(shí)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?cái)嗾`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(hào)量化為二進(jìn)制數(shù)必然引起誤差。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)DDS電路的功能仿真和硬件驗(yàn)證，可以看出DDS可以有效地產(chǎn)生所需波形信號(hào)。較傳統(tǒng)的信號(hào)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(kāi)發(fā)周期，具有較高的實(shí)用價(jià)值。