FPGA和DDS在信号源中的应用

1引言
DDS同DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。在各行各业的测试应用中，信号源扮演着极为重要的作用。但信号源具有许多不同的类型，不同类型的信号源在功能和特性上各不相同，分别适用于许多不同的应用。目前，最常见的信号源类型包括任意波形发生器，函数发生器，RF信号源，以及基本的模拟输出模块。信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。但DDS专用器件价格较贵，输出波形单一，使用受到一定限制，特别不适合于输出波形多样化的应用场合。随着高速可编程逻辑器件FPGA的发展，电子工程师可根据实际需求，在单一FPGA上开发出性能优良的具有任意波形的DDS系统，极大限度地简化设计过程并提高效率。本文在讨论DDS的基础上，介绍利用FPGA设计的基于DDS的信号发生器。
2 DDS技术工作塬理
一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器叁个部分（如Q2220）。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。DDS信号发生器，主要由相位累加器、相位寄存器、波形存储器、D/A转换器和模拟低通滤波器组成如图1所示。fR为参考时钟，K为输入频率控制字，其值与输出频率相对应，因此，控制输入控制字K，就能有效控制输出频率值。通常情况下，K值由控制器写入。

图1 DDS信号发生器组成塬理图

由图1可知，在参考时钟fR的控制下，频率控制字K与相位寄存器的输出反馈在相位累加器中完成加运算，并把计算结果寄存于相位寄存器，作为下一次加运算的一个输入值。相位累加器输出高位数据作为波形存储器的相位抽样地址值，查找波形存储器中相对应单元的电压幅值，得到波形二进制编码，实现相位到电压幅值的转变。波形二进制编码再通过D/A转换器，把数字信号转换成相应的模拟信号。低通滤波器可进一步滤除模拟信号中的高频成分，平滑模拟信号。在整个过程中，当相位累加器产生一次溢出时，DDS系统就完成一个周期输出任务。频率控制字K与输出波形频率的函数表达关系式为：
f0=（K/2N）fR（1）
式中，K为频率控制字；fR为参考时钟，N为累加器的位宽值。
当K=l时，可得DDS的最小分辨率为：
fmin=fR/2（2）
为了得到较小分辨率，在实际工程设计中，N一般取得较大值，该系统是N取32位设计的。
3关键器件选型
本设计所用到的关键器件主要是可编程逻辑器件（FPGA）和D/A转换器。考虑设计成本等因素，FPGA采用Altera公司的低成本Cyclone系列 EPlC6Q240C8.该器件采用逻辑阵列模块（LAB）和查找表（LUT）结构，内核采用1.5 V电压供电，是低功耗元件。此外，Cyclone系列EPlC60240C8内部资源丰富，其内部内嵌5 980个逻辑单元（LE），20个4 KB双口存储单元（M 4 KB RAM block）和92 160 bit普通高速RAM等资源，因此，能较好满足该系统设计要求。而D/A转换器则采用National Semiconductor公司的DAC0832(＄1.6100).
4 DDS的FPGA实现
4.1相位累加器与相位寄存器的设计
VerilogHDL是一种硬件描述语言（HDL：HardwareDiscriptionLanguage），是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。VerilogHDL和VHDL是目前世界上最流行的两种硬件描述语言，都是在20世纪80年代中期开发出来的。前者由GatewayDesignAutomation公司（该公司于1989年被 Cadence公司收购）开发。两种HDL均为IEEE标准。
相位累加器与相位寄存器主要完成累加，实现输出波形频率可调功能。利用Quartus II可编程逻辑器件系统开发工具进行设计。首先，打开Quartus II软件，新建一个工程管理文件，然后在此工程管理文件中新建一个Verilog HDL源程序文件，并用硬件描述语言Verilog HDL编写程序实现其功能。在设计过程中，可在一个模块中描述。一个参考的Verilog HDL程序如下：

4.2基于1/4波形的存储器设计
为了提高系统的分辨率和降低FPGA资源的利用率，采用基于1/4波形的存储器设计技术。利用正弦波对称性特点，只要存储[O~π/2]幅值，通过地址和幅值数据变换，即可得到整个周期内的正弦波，其设计塬理如图2所示。