基于FPGA的DDS波形发生器的设计与实现

　2007年5月　第17卷第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　May2007Vol.17No.2　基于FPGA的DDS波形发生器的设计与实现

宋　寅

(北京师范大学信息科学与技术学院,北京　100875)

摘　要:介绍了DDS的电路结构及工作原理,并对各组成部分进行了理论分析,重点介绍了电路设计方法,并利用硬件描述语言VHDL实现,最后利用FLEX器件实现了DDS电路,给出了FPGA设计的仿真和实验.关键词:直接数字频率合成(DDS);现场可编程门阵列(FPGA);VHDL;仿真中图分类号:TN92

文献标识码:A

文章编号:1673-162X(2007)02-0063-04

随着数字技术和器件水平的提高,一种新的频率合成技术———直接数字频率合成(DirectDigitalFre2quencySynthesis简称DDS或DDFS)得到了飞速的发展.它是继直接频率合成和间接频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术,它突破了前两代频率合成法的原理,从“相位”的概念出发进行频率合成,这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波、方波、三角波,而且可以控制波形的初始相位,还可以用DDS方法产生任意波形.DDS现已广泛应用于接收机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等,尤其适合于跳频无线通信系统.

1　DDS电路结构及工作原理

目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查找表,然后通过高速DAC输出已经用数字形式存入的任意波形.DDS基于全数字技术,它是由基准时钟源、相位累加器、只读存储器、数模转换器和低通滤波器组成的频率合成器.本文利用FPGA设计一个频率和相位均可控制的具有正弦波、方波、三角波输出的直接数字频率合成器(DDS).DDS的核心模块相位累加器可通过VHDL语言自行设计,波形存储器调用quartusII软件的定制ROM来实现.波形ROM的初始化mif文件可通过C语言编写生成.DDS的原理框图如图1所示.

图1　DDS的原理框图

其中K为频率控制字,fs为时钟频率,相位累加器的字长为N(N=8),ROM1,ROM2,ROM3的数据位及D/A转换器的字长均为D(D=8).相位累加器在时钟fs的控制下以步长K作累加,输出N位二进制码作为波形ROM的地址,对波形ROM进行寻址,波形ROM输出的幅码S(n),经D/A转换器(DAC)变成阶梯波S(t),再经低通滤波器(LPF)平滑后就可以得到合成的信号波形了.多路选择器可以选择相应的正弦波、方波、三角波.合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅码,因此用DDS技术可以产生任意波形.

2　基于FPGA的DDS设计

2.1　相位累加器　如图2所示,相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成.每来一个时钟脉冲fs,累加

收稿日期:2007-02-27

作者简介:宋　寅(1986—),男,安徽巢湖人,北京师范大学信息科学与技术学院2003级学生.

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器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加,再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端.寄存器将累加器在上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈到累加器的输入端;以使累加器在下一个时钟作用下继续与频率控制字进行相加.这样,相位累加器在时钟的作用下,进行相位累加,当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出,完成一个周期性的动作,这个周期也就是DDS信号的一个频率周期.

图2　相位累加器在quartusII编译环境中,设计的累加器和寄存器模块分别如图3和图4所示.

图3　累加器模块图图4　寄存器模块图

2.2　波形存储器　如图5所示,用相位累加器输出的数据作为波形存储器的地址,进行波形的相位—幅

值转换,即可在给定的时间上确定输出波形的幅值.N位的寻址ROM相当于把0°～360°的周期信号离散

NN

成具有2个样值的序列,若波形ROM有D位数据位,则2个样值的值以D位二进制数值存放在波形ROM中,按照地址的不同可以输出相应相位的正弦波、方波、三角波的值.在quartusII中调用的波形存储

器模块如图6所示.

图5　波形存储器图6　波形存储器模块图

2.3　D/A转换器的设计　D/A转换器的作用是把已经合成的正弦波、方波、三角波的数字量转换成模拟

量.合成波形的幅度量化序列经D/A转换后变成了包络分别为正弦波、方波、三角波的阶梯波.需要注意的是,频率合成器对D/A转换器的分辨率有一定的要求,D/A转换器的分辨率越高,合成波形的台阶数就越多,输出波形的精度也就越高.本设计采用DAC0832进行数模转换.FPGA与DAC0832接口电路设计如图7、图8所示.

图7　FPGA与DAC0832接口电路原理图图8　DAC0832输出控制接口电路模块图

2.4　低通滤波器的设计　一个理想的滤波器应在要求的频带内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外则

具有无穷大的衰减.然而实际的滤波器距此有一定的差异,为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频

第2期宋　寅:基于FPGA的DDS波形发生器的设计与实现65

率特性.用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点.因为不用电感元件,所以免除

了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点.由于运算放大器的增益和输入阻抗高,输出阻抗低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用.本文主要采用二阶RC有源低通滤波器.

3　DDS整体电路设计

本设计在Altera公司的QuartusII4.2环境下编译,采用自上而下的设计方法,即先从系统总体要求出发,自上而下逐步将设计内容细化,最后完成系统硬件的整体设计,根据DDS整体电路的工作原理框图,其核心单元将需要两个加法器、两个触发器、三个ROM存储器、一个多路选择器和相应的输入输出信号组成.DDS的核心电路模块图如图9所示.

图9　DDS的核心电路模块图

4　电路仿真

DDS电路在设计和仿真过程中,利用quartusII进行功能仿真,由于仿真波形为数字码,不能直观地看

出DDS输出的波形,为便于调试设计电路,将quartusII波形仿真结果转换为波形曲线,在这里借助quartusII自动生成dds.tbl文件,如图10所示.通过Matlab程序生成的正弦波、方波、三角波的波形如图11所示.

图a　正弦波仿真图图b　方波仿真图图c　三角波仿真图

图10　QuartusII下DDS仿真波形

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图a　正弦波图b　方波图c　三角波

图11　Matlab下DDS输出各波形

5　实验与结论

将仿真后的DDS工程下载到FPGA器件中,进行电路的硬件调试,调试采用GW48系列EDA开发实

验装置,通过TEK存贮示波器,可观察到DDS实际输出的各种波形,如图12所示.从图11和图12中可以看出仿真和实验具有很好的一致性,说明本系统设计方案的有效性.由于硬件资源的限制,本设计只能进行4位频率控制字的调试,因而频率范围相对较小.

图a　方波图b　正弦波图c　三角波

图12　基于FPGA的DDS输出波形

参考文献:

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[责任编校:已卯]

DesignandImplementationofDDS

CurveGeneratorBasedonFPGA

SONGYin

(CollegeofInformationScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing　100875,China)

Abstract:ThestructureandprinciplesofDirectDigitalFrequencySynthesizerarepresentedandeach

constituentistheoreticallyanalyzed.CircuitdesignmethodsaremainlyintroducedandtheDDSsystem

(下转第83页)

第2期唐微波,等:数据挖掘技术在零售业中的应用83

TheDataScoopsouta

TechniqueintheRetailTradeofApplication

TANGWei2bo,TANGYu2jian

1

2

(1.SchoolofEconomics,AnhuiUniversity,Hefei　230039,China;2.AnhuiBankofAgriculturalDevelopment,Hefei　230022,China)

Abstract:Theretailtradeistomakeuseofadataexcavation(DM)technique,collectadatafromvari2

ousappliedsystemofretailtrade,storethedatawarehousethroughtheconditionclassification,carryonadatamanydimensionsandprocess,findoutthetargetofthepersonandcommodityregulationthroughthedata,andprovideaserviceforthecustomers.Finally,theretailtradewilloffervastout2lookandapplicationbydataexcavation.keywords:retailtrade;thedatascoopsoutatechnique;CRM(上接第66页)

designisrealizedutilizingVHDLlanguage.Finally,thecircuitofDDSiscompletedonthedeviceofFLEX.ThesimulationandexperimentofFPGAdesignaregiven.

Keywords:DirectDigitalFrequencySynthesizer(DDS);FieldProgrammableGateArray(FPGA);VHDL;simulation

国际数学界公认的以华人命名的数学研究成果(5)

吴氏方法:吴文俊关于几何定理的机器证明方法.吴示性类、吴示嵌类、吴氏公式:吴文俊关于拓扑学的研究成果.

吴文俊(1919—),上海人;中国科学院系统科学研究所研究员,中国科学院学部委员.吴文俊研究工作涉及数学的许多领域,主要表现在拓扑学和数学机械化两个领域.他为拓扑学做了奠基性的工作,对示性类和示嵌性的研究被国际数学界称为“吴公式”、“吴示性类”和“吴示嵌类”,对拓扑学的研究起到了承前启后的作用,不仅使示性类理论成为拓扑学中完美的一章,也使拓扑的嵌入理论发展成了统一的理论.

王氏悖论:王浩关于数理逻辑的一个命题.

王浩(1921—1995),山东济南人;美籍华裔数学家、逻辑学家、计算机科学家、哲学家,曾任美国洛克斐勒大学教授、美国科学院院士.

柯氏定理:柯召关于卡特兰问题的研究成果.

柯召(1910—2002),字惠棠,浙江温岭人;曾任四川大学教授、校长,中国科学院资深院士.被称为我国“近代数论的创始人”、“二次型研究的开拓者”、“一代数学宗师”.他关于不定方程卡特兰问题的研究结果,在国际上被誉为“柯氏定理”,他创造的方法,至今仍被广泛引用.

柯-孙猜想:柯召与孙琦在数论方面的研究成果.

孙琦(1937—)四川大学教授.他与柯召教授提出的猜想:“任给2n-1个整数,必可从中选出n个数,使其和称为“柯-孙猜想”.能被n整除.”

陈氏定理:陈景润在哥德巴赫猜想研究中提出的命题.

陈景润(1933—1996),福建福州人;曾任中国科学院数学研究所研究员,中科院学部委员.主要研究解析数

(简称“1+2”),成为哥德巴赫猜想论,1966年发表《表大偶数为一个素数及一个不超过两个素数的乘积之和》

研究上的里程碑.

(待续)(禾子整理)