基于DDS的高精度任意波形发生器设计

随着数字信号处理技术的飞速发展，高精度大动态范围D／A转换器的出现和广泛应用，基于取样技术和计算技术，通过数字方法生成频率和相位相对固定且可调的合成技术，即直接数字频率合成(DDS)技术日益成熟，它采用全数字化结构，具有频率分辨率高、相对带宽宽、频率转换速度快、相位噪声低、信号纯度高等优点。因此，本系统采用DDS技术来完成任意波形发生器设计。

　　1 DDS工作原理

　　直接数字频率合成(DDS)技术是一种以采样定理为基础的全数字化波形产生方法。DDS频率合成器主要由相位累加器、波形数据存储器、D／A转换器和低通滤波器组成，其原理框图如图1所示。在一个系统时钟周期内，相位累加器将前一次的累加值与频率控制字相加，得到新的累加值，将新的累加值作为地址，从波形数据存储器中读取信号的幅度值，送入D／A转换器将数字信号转换为模拟信号，最后再经低通滤波器生成需要波形。其中波形数据存储器中存储了周期信号单个周期的幅度值，相位累加器每溢出1次，可从波形数据存储器中读取1个周期的信号幅度值。因此，若假设频率控制字为K，相位累加器为N位，则经过个系统时钟周期，可产生1个周期的输出信号，再设系统时钟频率为fsclk，则输出信号频率。

　　2 系统总体框图

　　系统总体框图如图2所示。其中，上位机软件由LabWindows软件编写，用于控制信号的产生，下位机以FPGA作为核心控制器件，主要用于接收上位机发送的控制命令和信号参数，并控制下位机系统产生对应波形。下位机系统主要分为FPGA控制单元、波形存储单元、波形产生单元。波形存储单元主要包括FLASH和SRAM，FLASH用于存储各种波形数据，波形产生时，FPGA先将要产生的波形数据从FLASH读入SRAM，再利用相位累加器的累加值从SRAM中读取波形数据。波形产生单元主要完成波形数据的产生，首先将SRAM读出的波形幅度数据送入D／A转换器，产生信号的阶梯序列波，再通过低通滤波器和功率放大电路产生输出信号。

　　3 系统硬件设计

　　3．1 FLASH连接电路图

　　FLASH采用美国飞索半导体公司的S29AL032D，其容量为32 MB，它用于存储各种波形的幅度信息，其存储形式如图4所示。

　　由图4可知，地址区间0x000000～0x01FFFF存储正弦波幅度值，地址区间0x020000～0x03FFFF存储三角波数据，地址区间0x040000～0x05FFFF存储锯齿波数据，地址区间0x060000～0x07FFFF存储白噪声数据，地址区间 0x080000～0x0FFFFF为4个用户自定义区，存储4种用户需产生的周期波形数据。

　　3．2 RAM连接电路图

　　RAM采用美国芯成半导体公司的IS61LV25616AL-10T，其容量为256×103×16 bit，主要用于存储上位机发送的控制命令及波形产生时信号的幅度值，其存储形式如图6所示。

　　地址区间Ox00000～0x1FFFF存储上位机发送给下位机的控制命令和数据参数，地址区间Ox20000～Ox2FFFF存储系统要产生信号的波形幅度值。

　　3．3 信号产生电路连接图

　　图7为任意信号产生的电路连接图，产生信号频率范围为50 Hz～200 kHz。其中，AD768为16位高精度D／A转换器，其最大更新速率可达40Msps，满足设计要求。

　　4 系统软件设计

　　4．1 上位机软件设计

　　上位机部分由Labwindows软件编写，主要负责对下位机系统的控制，包括对信号频率、幅度、相位(占空比)的设置，信号波形的选择，用户自定义波形数据的输入等，其控制面板如图8所示。

　　4．2 FPGA软件设计

　　FPGA为系统的核心控制单元，负责与上位机软件通信及控制下位机系统产生任意波形。

　　4．2．1 与上位机通信模块设计

　　上位机与下位机的通信是通过RS232来实现的，FPGA主要用于接收RS232发送过来的数据并将其存入外部RAM中，通信模块如图9所示。

　　RS232_Controller模块用于接收上位机发送过来的数据，RS232的速率为115．200 kB／s，8位数据位，1位停止位，无校验位。data_bu-ffer将RS232_Controller接收的数据缓存，并按接收先后顺序组合成16 位数据后送入RamWrite。RamWrite再将这些16位数据从地址0x00000开始存入外部RAM中。

　　4．2．2 接收数据处理模块

　　本模块主要用于分析和处理接收到的上位机数据，从中提取出信号的数据信息、各项参数及控制命令，如图10所示。

当RS232发送数据完成时，接收数据处理模块立即从地址0x00000开始读取RAM中的数据。当第1个数据和第2个数据分别为 16'hAAF0和16' hBB55时，则第3个数据的高8位为命令控制字，否则接收数据处理模块停止读取RAM中的数据。8位命令控制字各位所代表含义如下

当RS232发送数据完成时，接收数据处理模块立即从地址0x00000开始读取RAM中的数据。当第1个数据和第2个数据分别为 16'h