采用FPGA實(shí)現(xiàn)DDS任意波形發(fā)生器設(shè)計

1?DDS概述

1．1 DDS基本原理

直接數(shù)字合成技術(shù)(Direet Digital Synthesis，簡稱DDS)是建立在采樣定理基礎(chǔ)上，首先對需要產(chǎn)生的波形進(jìn)行采樣，將采樣值數(shù)字化后存入存儲器作為查找表，然后通過查表讀取數(shù)據(jù)，再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，將保存的波形重新合成出來。DDS基本原理框圖如圖1所示。

由圖l看出，除了濾波器(LPF)之外，DDS系統(tǒng)都是以數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)，因此DDS系統(tǒng)易于集成和小型化。DDS系統(tǒng)的參考時鐘源通常是一個具有高穩(wěn)定性的晶體振蕩器，整個系統(tǒng)的各個組成部分提供同步時鐘。頻率字(FSW)實(shí)際上是相位增量值(二進(jìn)制編碼)，作為相位累加器的累加值。相位累加器在每一個參考時鐘脈沖輸入時，累加一次頻率字，其輸出相應(yīng)增加一個步長的相位增量。由于相位累加器的輸出連接在波形存儲器(ROM)的地址線上，因此其輸出的改變就相當(dāng)于查表。這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出。ROM的輸出送到D／A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。

1．2 DDS的基本參數(shù)及其計算

在系統(tǒng)時鐘脈沖的作用下，相位累加器不停累加，即不停查表，把波形數(shù)據(jù)送到D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，從而合成波形。濾波器則進(jìn)一步平滑D／A轉(zhuǎn)換器輸出的近似正弦波的鋸齒階梯波，同時衰減不必要的雜散信號。設(shè)頻率字(FSW)的值為d，系統(tǒng)時鐘頻率為f，相位累加器的字長為N，則系統(tǒng)的輸出頻率為：

2 任意波形發(fā)生器的設(shè)計方案

基于DDS技術(shù)的任意波形發(fā)生器主要由微處理器控制模塊、鍵盤與顯示模塊、DDS通道的FPGA實(shí)現(xiàn)模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊以及濾波器模塊組成。同時片外擴(kuò)展了4 KB程序存儲器SRAM和6 KB數(shù)據(jù)存儲器ROM，分別用于存儲波形抽樣數(shù)據(jù)和3種標(biāo)準(zhǔn)輸出波形抽樣數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計原理如圖2所示。

2．1 微處理器控制模塊

采用AT89C5l單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理和控制其他電路工作。將鍵盤接收的數(shù)據(jù)通過特定算法轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，再將處理后的控制字、波形參數(shù)和其他器件的控制信號發(fā)送出去。

由于AT89C5l單片機(jī)主要接口有：微處理器與擴(kuò)展器件的接口；微處理器與FPGA模塊的接口；微處理器與鍵盤、顯示模塊的接口；微處理器與輸出幅值調(diào)節(jié)電路的接口。由于單片機(jī)的輸出引腳有限，需擴(kuò)展其引腳。本設(shè)計采用8255器件擴(kuò)展單片機(jī)的輸出引腳，8255的PA用于相位控制字的輸出；PB用于頻率控制字的輸出；PC是位可控輸出端，用于DDS工作方式的控制字和波形參數(shù)的控制字輸出引腳。AT89C5l單片機(jī)與FPGA的接口電路如圖3所示。

2．2 鍵盤與顯示模塊

由于本系統(tǒng)設(shè)計的測量裝置需要設(shè)置輸出波形、頻率、電壓等參數(shù)，而且監(jiān)控程序需要菜單驅(qū)動，因此需要設(shè)置鍵盤。鍵盤采用外接4×4軟鍵盤，使用軟件掃描方式獲得按鍵信息。因?yàn)榘存I需要去抖動，因此采用軟件編程方式實(shí)現(xiàn)，這樣可以節(jié)省硬件資源，簡化電路設(shè)計。

液晶顯示可提供人機(jī)交互界面和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，選用精工的MGLS 19264液晶顯示屏。該液晶顯示屏內(nèi)置2塊HD61202U液晶顯示驅(qū)動控制器。其中CSA，CSB作為左、右屏片選信號，接單片機(jī)A8、A9引腳。同時單片機(jī)用地址Al作為R／W信號控制數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)流向；地址AO作為D／I信號控制寄存器的選擇；E信號由單片機(jī)的讀信號RD和寫信號WR合成產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對內(nèi)置HD61202U圖形液晶顯示模塊的電路連接。電位器用來調(diào)節(jié)顯示屏的對比度，如圖4所示。液晶顯示左半屏命令字地址為0EOOH；狀態(tài)字地址為0EIOH；寫顯示命令字地址為0E0lH；讀顯示命令字地址為0EllH；右半屏對應(yīng)地址為0D00H、0D10H、0D0lH、0DllH。

2．3 DDS通道的FPGA實(shí)現(xiàn)模塊

該模塊設(shè)計是DDS信號合成的關(guān)鍵部分，主要由相位累加器、地址總線控制器、數(shù)據(jù)總線控制器與SRAM組成。其中，除了SRAM外，其余3個模塊都由FPGA實(shí)現(xiàn)。

相位累加器是整個DDS系統(tǒng)的關(guān)鍵，直接影響整個系統(tǒng)的功能。圖5給出的FPGA結(jié)構(gòu)框圖中相位累加器實(shí)質(zhì)上是一個帶反饋的29位加法器，它把輸出數(shù)據(jù)作為反饋數(shù)據(jù)和由微處理器送來的頻率控制字連續(xù)相加，從而產(chǎn)生有規(guī)律的29位相位地址碼。設(shè)計中采用流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)29位加法。當(dāng)輸入所需頻率時，轉(zhuǎn)換成頻率控制字來驅(qū)動FPGA工作，從而產(chǎn)生所需波形頻率。整個模塊設(shè)計過程使用FPGA的開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行仿真。

2．4 D／A轉(zhuǎn)換模塊

D／A轉(zhuǎn)換器是DDS系統(tǒng)的核心器件，其速度和特性直接影響整個系統(tǒng)的性能。從建立時間、尖峰脈沖能量、位數(shù)和積分線性等四個方面選擇D／A轉(zhuǎn)換器。因?yàn)镈DS系統(tǒng)的工作頻率一般都很高，因此首先應(yīng)選用高速D／A轉(zhuǎn)換器。其次是考慮信噪比問題，增大D／A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，可減小電壓幅值量化誤差，增大信噪比，因此，采用了12位的D／A轉(zhuǎn)換器。

2．5 濾波器模塊

濾波器分為兩組：一組是橢圓函數(shù)濾波器，用于正弦波的濾波；另一組是線性濾波器，用于其他標(biāo)準(zhǔn)波形的濾波。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計的DDS電路采用FPGA實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)控制整個系統(tǒng)，產(chǎn)生任意波形。因此，基于DDS技術(shù)的波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，而且提高了信號源輸出信號的分辨率。使用FPGA設(shè)計的DDS電路要比采用專用DDS器件更靈活，性價比更高。但在設(shè)計時應(yīng)注意線路板的布線，以減少外界干擾，降低輸出信號的雜散性。