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--  作者:wangxinxin
--  發(fā)布時間:2010-11-19 14:02:23
--  基于FPGA和DDS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器設(shè)計

基于FPGA和DDS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器設(shè)計,O 引言1971年,美國學者J.Tierney等人撰寫的《A Digital Frequency S

O 引言

1971年,美國學者J.Tierney等人撰寫的《A Digital Frequency Synthesizer》一文首次提出了以全數(shù)字技術(shù),從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新合成原理。限于當時的技術(shù),沒有得到重視,但隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,它以有別于其他頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)的佼佼者,具體體現(xiàn)在相對帶寬寬,頻率轉(zhuǎn)換時間短,頻率分辨率高,輸出相位連續(xù),可產(chǎn)生多種調(diào)制信號,控制靈活方便。因此,對于正弦信號發(fā)生器的設(shè)計,可以采用DDS,即直接數(shù)字頻率合成方案實現(xiàn)。DDS的輸出頻率是數(shù)字可調(diào)的,完全能實現(xiàn)頻率為1 kHz~10 MHz之間的正弦信號,這是實際應(yīng)用中產(chǎn)生可調(diào)頻率正弦信號波形較為理想的方案。實現(xiàn)DDS常用3種技術(shù)方案:高性能DDS單片電路的解決方案;低頻正弦波DDS單片電路的解決方案;自行設(shè)計的基于FPGA芯片的解決方案。雖然有的專用DDS芯片的功能也比較多,但控制方式卻是固定的,因此不一定滿足用戶需求。而基于FPGA則可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復(fù)雜的調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能,具有良好的實用性。專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝,內(nèi)部數(shù)字信號抖動很小,可以輸出高質(zhì)量的模擬信號;利用FPGA也能輸出較高質(zhì)量的信號,雖然達不到專用DDS芯片的水平,但信號精度誤差非常小,能滿足大多數(shù)信號源要求。DDS是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),在介紹本系統(tǒng)之前,先單獨介紹DDS的原理。

l DDS電路工作原理

1.1 DDS的工作原理

DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波。如圖1所示,電路一般包括基準時鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)。頻率累加器對輸入信號進行累加運算,產(chǎn)生頻率控制數(shù)據(jù)X(frequency data或相位步進量)。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級聯(lián)而成,對代表頻率的二進制碼進行累加運算,是典型的反饋電路,產(chǎn)生累加結(jié)果Y。幅度/相位轉(zhuǎn)換電路實質(zhì)上是一個波形寄存器,以供查表使用。讀出的波形數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器轉(zhuǎn)換成符合要求的模擬信號。

1.2 具體工作過程

信號產(chǎn)生過程:如圖1所示,N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)X與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)在時鐘脈沖Fclk控制下相加,把相加后的結(jié)果Y送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端,以使加法器在下一時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)X相加;另一方面將這個值作為取樣地址值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路(即圖1中的波形存儲器),幅度/相位轉(zhuǎn)換電路根據(jù)這個地址輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)處理成所需要的模擬波形。相位累加器在基準時鐘的作用下,進行線性相位累加,當相位累加器加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出,這樣就完成了一個周期,這個周期也就是DDS信號的一頻率周期。 DDS輸出信號的頻率由下式給定:

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假定基準時鐘為70 MHz,累加器為16位,則:

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再假定X=4 096,則Fout=(4 096/65 536)×70=4.375 MHz。

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可見,通過設(shè)定相位累加器位數(shù)、頻率控制字X和基準時鐘的值,就可以產(chǎn)生任一頻率的輸出。DDS的頻率分辨率定義為:

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由于基準時鐘一般固定,因此相位累加器的位數(shù)就決定了頻率分辨率。如上面的例子,相位累加器為16位,那么頻率分辨率就可以認為是16位。位數(shù)越多,分頻率越高。

2 正弦信號發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

正弦信號發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

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