直接數(shù)字頻率合成器的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　1 DDS結(jié)構(gòu)原理

　　DDS是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的數(shù)字頻率合成技術(shù)，主要通過查找波形表實(shí)現(xiàn)。由奈奎斯特抽樣定理可知，當(dāng)抽樣頻率大于被抽樣頻率的2倍時(shí)，通過抽樣得到的數(shù)字信號(hào)可通過一個(gè)低通濾波器還原成原來的信號(hào)。

　　DDS的工作原理為：在參考時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，相位累加器對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性累加，得到的相位碼對(duì)波形存儲(chǔ)器尋址，使之輸出相應(yīng)的幅度碼，經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波，最后再使用低通濾波器對(duì)其進(jìn)行平滑，得到所需頻率的平滑連續(xù)的波形，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　相位累加器由N位加法器和N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘脈沖fclk，加法器就將頻率控制字與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS的輸出信號(hào)頻率。用相位累加器輸出數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器(ROM)的相位取樣地址，這樣就可以把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅度的轉(zhuǎn)換。

　　DDS模塊的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率、相位累加器比特?cái)?shù)N以及頻率控制字三者的一個(gè)函數(shù)，其數(shù)學(xué)關(guān)系由式(1)給出。

　　它的頻率分辨率，即頻率的變化間隔為K／2N。

　　2 系統(tǒng)功能單元實(shí)現(xiàn)

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是針對(duì)DDS的基本結(jié)構(gòu)，以FPGA為核心，加上外圍電路而實(shí)現(xiàn)的。

　　2．1 相位累加器

　　相位累加器由8位加法器與8位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。累加器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端：使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘作用下繼續(xù)與頻率控制字data相加，實(shí)現(xiàn)相位累加，當(dāng)相位累加器累加結(jié)果等于或大于256(當(dāng)N=8時(shí))，則產(chǎn)生1次溢出，完成1個(gè)周期波形輸出。該相位累加器采用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　2．2 波形存儲(chǔ)器

　　以相位累加器輸出數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的取樣地址，進(jìn)行波形的相位—幅碼轉(zhuǎn)換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形的抽樣幅碼。N位的尋址ROM相當(dāng)于把0～2π的正弦信號(hào)離散成具有2N個(gè)樣值的序列。若波形存儲(chǔ)器有D位數(shù)據(jù)位，則各樣值的幅碼以D位二進(jìn)制數(shù)值保存在該模擬ROM中，按照不同地址輸出相應(yīng)相位的正弦信號(hào)的幅碼數(shù)值。為了更加有效的表示波形，當(dāng)然期望波形存儲(chǔ)器輸出的二進(jìn)制值位數(shù)越多越好。但是查找表的設(shè)計(jì)和D／A轉(zhuǎn)換器的選擇是相關(guān)的，因此需要選擇位數(shù)高的D／A轉(zhuǎn)換器。本文設(shè)計(jì)的正弦表，具有16b輸出，采樣點(diǎn)為256。

　　2．3 D／A轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)

　　D／A轉(zhuǎn)換單元是繼波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元之后，將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求的合成頻率的模擬量形式信號(hào)。DAC輸出信號(hào)實(shí)際上是階梯模擬信號(hào)，需在D／A轉(zhuǎn)換后利用低通濾波器對(duì)波形進(jìn)行平滑處理。在此，用Maxim公司生產(chǎn)的A／D換器MAX5885芯片。該芯片需要將輸入時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸入，且由外部芯片MAX6161提供1．2 V的參考電壓，D／A轉(zhuǎn)換后的差分輸出經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換后即可得到所需的信號(hào)：

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 累加控制模塊的設(shè)計(jì)

　　相位累加器主要完成相位累加，實(shí)現(xiàn)輸出波形頻率可調(diào)的功能。該模塊采用Verilog HDL語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)，若要求DDS系統(tǒng)精度高，相位累加器的位數(shù)N需較大。這里取N=8，它的Verilog HDL關(guān)鍵代碼如下：

　　其中，data信號(hào)為8位的頻率控制字，通過改變data的值可以實(shí)現(xiàn)不同頻率波形的輸出。

　　3．2 波形存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)

　　針對(duì)不同的可編程器件，ROM查找表的設(shè)計(jì)采用的方法也不相同。主要是基于IP核Single Port BlockMemory和Verilog選擇語(yǔ)句這兩種方法。使用SinglePort Block Memory的波形存儲(chǔ)表只需要產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件*．mif或*．coe，然后直接在定制Single Port BlockMemory時(shí)，添加數(shù)據(jù)文件即可。不過這種方法在FPGA支持內(nèi)部嵌入式陣列塊(EAB)時(shí)才可以使用；使用Verilog選擇語(yǔ)句比較直觀，但當(dāng)輸入數(shù)據(jù)量大的

　　這種方法是比較繁瑣的。此次設(shè)計(jì)采用第一種方法。

　　coe文件是在編譯和仿真過程中作為存儲(chǔ)器(ROM或RAM)初始化輸入的文件，即memory initializationfile。創(chuàng)建coe文件的方式有很多種，在這次設(shè)計(jì)中，在Matlab中采用C語(yǔ)言來生成coe文件。coe文件編寫格式如下：

　　將生成的cos．txt文件的后綴該為．coe，打開文件并將最后一行的逗號(hào)改為分號(hào)，并在文件的最開始添加下面兩行：

　　最后保存文件退出，并加載到Single Port BlockMemory所生成的ROM中。加載時(shí)要特別注意數(shù)據(jù)基數(shù)和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的參數(shù)設(shè)置。

　　4 系統(tǒng)的功能仿真和驗(yàn)證分析

　　累加控制器、ROM查找表組成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本的DDS系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以原子鐘(33 MHz)為基準(zhǔn)頻率輸入，取累加器為32位，實(shí)現(xiàn)輸出頻率為700 kHz的信號(hào)。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)屬第三代頻率合成技術(shù)，與第二代基于鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)相比，利用DDS技術(shù)合成的輸出波形具有良好的性能指標(biāo)本。設(shè)計(jì)采用Xilinx公司Spartan-3系列的XC3S200芯片和高速16位D／A轉(zhuǎn)換器MAX5885。在DDS的工作原理的基礎(chǔ)上，介紹基于FPGA實(shí)現(xiàn)DDS的設(shè)計(jì)方法。 通過設(shè)置參數(shù)可以靈活控制輸出頻率和分辨率。設(shè)計(jì)出具有精度高，選擇參數(shù)控制輸出信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)理想的波形。從測(cè)試結(jié)果可看出，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，并具有較好的參考與實(shí)用價(jià)值。