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基于FPGA的DDS信號發生器的設計
引言
直接數字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis)是一種以奈奎斯特采樣定理及數字信號處理為基礎，從相位概念出發的全數字頻率合成方法。實現DDS 功能可用專用的DDS芯片，也可利用高性能的現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array)。與前者相比，后者具有設計簡單，開發靈活，應用成本低等優點。本文以FPGA 為基礎，設計DDS 信號發生器。設計目標：輸出頻率范圍1Hz~1MHz，頻率可調，輸出頻率精度大于0.1%，輸出頻率峰峰值為5V。
1 DDS 基本原理
由奈奎斯特采樣定理可知，當采樣頻率大于被采樣信號最高頻率的2 倍時，通過采樣得到的數字信號可完整的還原被采樣信號。基于奈奎斯特采樣定理，系統首先對需要產生的信號進行采樣，量化后存入數據存儲器。在參考時鐘作用下，相位累加器按照預先設定的頻率控制器進行地址累加，此地址即為信號在數據表中對應地址。根據地址從數據表中依次讀取數據，產生數字化的信號，此信號通過D/A 轉換和低通濾波等處理即可變成所需模擬信號[3]。
下面以正弦波信號的產生為例說明DDS 的工作原理。假設某一頻率的正弦信號可表示為
v(t) = Asin(wt +θ )
式中，A 為正弦波幅值，w 為正弦信號角頻率，θ 為初始相位。由于A 和θ 不變，則令A=1，θ =0，得到歸一化表達式
v(t) = Asin(wt)
對于連續的正弦波信號，其相位與時間呈線性關系[2]。由這一關系可知，在一定頻率的時鐘信號作用下，通過一個線性的相位累加器對相應的波形存儲器掃描，即可周期性地讀取波形存儲器中的數據，從而合成相應的正弦波信號。如果提高時鐘信號頻率，則數據的掃描頻率加快，數據讀取速度加快，讀取一個正弦波數據的時間就會縮短，輸出信號的頻率增大，反之亦然[5]。
2 DDS 的實現方案
DDS 系統主要由FPGA 核心電路、D/A 轉換電路、低通濾波電路、鍵盤電路和顯示電路組成。系統具體實現框所示。
系統分別以Altera Cyclone II 系列FPGA EP2C8 和VerilogHDL語言為硬件及軟件平臺，在此基礎上構建DDS 核以及相關模塊。FPGA 核心電路產生的階梯數字信號通過D/A 轉換電路轉換為對應的模擬信號。綜合考慮，采用TLC5620 為D/A 轉換芯片。該芯片為8 位串行輸入D/A 轉換器，選擇其參考電壓為5V，輸出電壓控制位選擇為1 倍輸出。由于轉換后的數字信號是階梯形的模擬信號，在D/A 轉化后利用低通濾波對信號進行平滑處理。低通濾波電路以OP07 為核心，設計為壓控壓源的二階低通濾波。為方便用戶操作，在系統中引入鍵盤電路和數碼管顯示電路，用戶可自由調節輸出頻率，并通過數碼管觀察實時輸出頻率。
3 設計優化
3.1 相位累加器的優化
相位累加器是決定DDS 性能的關鍵部分。在系統的參考時鐘一定時，相位累加器的位數決定了輸出頻率的分辨率[7]。但是，相位累加器的位數越大，整個系統的速度就越慢。為此，在相位累加器中引入流水線技術。即把一個時鐘周期內要完成的邏輯操作分成幾步小的操作，并在各個操作中插入時鐘周期，以此提高數據的吞吐速率。相位累加器優化結構圖如所示。
圖中32 位的相位累加器采用4 級流水線結構。每條流水線完成8 位數據的運算，流水線之間進行級聯。流水線最后的數據通過一級寄存器輸出。輸出寄存器同時提取相位累加器的高8 位作為波形存儲器的查找地址，與波形存儲器相連。實驗表明，運用流水線技術可以成倍提高相位累加器的運算速度，但是這也大大消耗了FPGA 的邏輯資源。
3.2 波形存儲器的優化
波形存儲器中存儲著完整的波形采樣數據。如果正弦波采樣深度為N 位，那么M 位相位累加器就決定了波形存儲器所需存儲空間為N*2M 位。當M=32，N=8 時，則需要4096M的存儲空間，可見，必須對波形存儲器進行優化，提高其利用率。在相位累加器的優化中，已經利用最后一級寄存器對輸出地址進行了截位處理，但這還遠遠不夠。因此，還必須利用正弦波的對稱性對波形存儲器進行進一步優化[4]。其優化結構圖如所示。
圖中，相位累加器的輸出地址的最高位連接到相位轉換器，相位轉換器根據輸出地址最高位值判斷波形處于前半個周期（0~π）還是后半個周期（π~2π）。而地址轉換器通過輸出地址的次高位值判斷波形是上升（0~π/2）還是下降（π/2~π）。從優化方式可知，經過優化后的波形存儲器所需空間僅為以前的1/4。
3.3 按鍵模塊的優化
在頻率調整的過程中，鍵盤是必不可少的。但是，鍵盤的動作極有可能產生毛刺，由于DDS 系統的頻率較高，毛刺可能帶來系統的誤操作。因此，在按鍵操作時需要加入按鍵去抖模塊，以提高按鍵輸入的靈敏度。按鍵去抖模塊部分程序如下：
parameter TIME=10;// 設置去抖時間為10ms
clk)
if(key_in ! = 4’hf)if(scan = = TIME) // 有鍵按下10ms 后讀健
begin key_en <= 1’b1; scan <= 1’b0; end
else
begin key_en <= 1’b0; scan <= scan + 1’b1; end
else
begin
if(scan != 0) scan <= scan – 1’b1;
else begin scan <= scan;
key_en <= 1’b0;
endend
4 系統測試
在系統構建完成后，用示波器觀察輸出波形。經測量，信號發生器輸出頻率峰峰值穩定在5V 左右，輸出頻率范圍滿足設計要求。現測量7 組數據，每組數據測量5 次，測試數據如下所示。
測試結果表明，系統基本滿足預先設計要求，但在低頻時系統精度不甚理想。分析其原因，有可能是在相位累加器地址截位處理時截取位數過多所致。在系統完善過程中可通過減少截位位數，也可提高信號的采樣深度進一步提高系統的精度。
5 結束語
本文介紹了直接數字頻率合成器的基本工作原理，并在此基礎上利用FPGA 平臺實現了直接數字頻率合成器的設計。系統中除了D/A 轉換器和低通濾波器外，其他電路都集成在FPGA 中。該方案簡化了系統的設計難度，用戶可根據自身信號需要更改FPGA 中的程序，更加靈活的設計直接數字頻率合成器。
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參考文獻
[1] 夏宇聞. Verilog 數字設計教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.
[2] 白居憲.直接數字頻率合成[M]. 西安：西安交通大學出版社，2007.
[3] 羅杰漢，程光偉. 基于FPGA 的DDS 設計[J]. 電子設計工程，2012，18(1)：66~70.
[4] 李康順，呂小巧. 基于改進DDS 技術的FPGA 數字調制器研究與實現[J]. 壓電與聲光，2012，31(6) ：852-855.
[5] 羅杰. Verilog HDL 與數字ASIC 設計基礎[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2005.
[6] 吳繼華，王誠. 設計與驗證Verilog HDL[M]. 北京：人民郵電出版社，2006.
[7] 吳曙榮，楊銀堂. 用FPGA 實現DDS 設計[J]. 航空計算技術，2006，36(1)：40~45.
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