基于FPGA和DDS技术的正弦信号发生器设计

(2)FPGA处理模块实现方式

根据设计要求：要达到正弦波输出频率范围(1 kHz～10 MHz)及频率步进值100 Hz，设相位累加器的位宽为2N，sin表的大小为2P，累加器的高P位用于寻址Sin表。根据DDS工作原理，主频时钟Clock的频率为，fc=100 MHz，累加器按步进为1进行累加直至溢出一遍的频率即为频率步进值。



以M点为步长(M为频率控制字)，产生信号的频率：



由于频率步进值为100 Hz，由式(1)可计算得N=20。要使输出频率达到10 MHz，由式(2)可计算得M=104 857，为了使输出的波形尽可能不失真，频率控制字位宽取17位，高三位添000，由于设计加法器为32位，则低12位添000000000000。本系统中使用的D/A转换器件的输入位宽为10，所以只取相位累加器输出的高10位可满足设计要求。整个过程的实现过程中，本系统选用Altera公司的Cyclone系列芯片，采用VHDL语言描述，利用开发软件QuartusⅡ进行综合，以实现产生l kHz～10 MHz频率范围内的各种正弦信号。

3 实验数据测试

由键盘输入的是二进制频率控制字，通过数码管可以显示出十进制的频率和相位，将信号发生器的输出端和双通道数字示波器接好，任意几个频率为1 kHz～10 MHz之间的信号测试结果如表1所示。



4 结语

本系统设计时，相位字是在编程时就固定的，输出正弦信号的频率变化是由频率字变化引起的，而频率字的预置是通过键盘输入的，因此能够得到频率变化的正弦信号，这样的信号源能够很好地满足需要变频信号的情况，因此，实用性较强。通过理论计算和实际测量相比较可以看出，基于FPGA的DDS技术实现正弦信号发生器输出正弦信号频率范围较宽、分辨率高、幅度和频率的精度较高。另外，本系统还很容易扩展，不需要对硬件电路进行较大的修改，只需要修改相应的程序便可实现相应的功能，比如产生PSK，ASK信号等。但是它也有局限性，主要表现在输出杂散大，这是由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入杂散，主要来源有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差造成的杂散和DAC非线性造成的杂散。