基于FPGA的DDS基本信號發生器的設計

趙麗娜，郭寶增，劉少鵬，馬 韜

（河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002）

DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）即直接數字式頻率合成，是從相位概念出發直接合成所需波形的一種頻率合成技術[1]。與傳統信號源所采用的用模擬方式生成信號不同，它是將先進的數字信號處理理論與方法引入信號合成領域。DDS技術在精確度、靈活度等方面都超過模擬信號發生器。并且DDS可實現相位連續變化，且具有良好頻譜的信號，這是傳統方法無法實現的。

FPGA的迅速發展為DDS提供了更加優良的技術手段，它具有處理速度快、可靠性高等特點。SOPC（System On Programmable Chip，片上可編程系統）是一種靈活、高效的SOC解決方案[2]。它以IP Core為基礎，將處理器、存儲器、IO口等系統設計需要的功能模塊集成到一個FPGA器件上，構建成一個可編程的片上系統，具有靈活的設計方式。本設計綜合以上軟硬件可編程協同設計技術，使得DDS電路在靈活性，可行性，精確性等方面得到很大提高。

1 DDS的基本原理

DDS信號發生器是由：頻率控制字、相位累加器、ROM表、D／A轉換器以及模擬低通濾波器LPF組成.原理框圖如圖1所示。

圖1 DDS原理圖Fig.1 DDS schematic

首先對波形的一個周期進行連續采樣，通過計算得到每一點對應的幅度值，然后以二進制格式存放在數據文件中。在時鐘脈沖fclk驅動下，每個時鐘周期內頻率控制字與相位累加器累加一次，產生ROM查找表的地址值，隨后通過查表變換，地址值被轉化為信號波形的數字幅度序列，即可得到幅度上離散的波形，再由數模變換器（D/A）將表示波形幅度的數字序列轉化為模擬量。最后經由LPF將D/A輸出的階梯狀波形平滑為所需的連續波形。理論上，采樣點數越多，生成波形精確度越高[3]。

2 基于FPGA的DDS設計

本設計在Altera的EP2C35F672C8芯片的基礎上，在SOPC Builder和QuartusⅡ開發環境下，利用SOPC技術，在FPGA中集成Altera的嵌入式軟核處理器NiosⅡ和其他外設，將硬件系統與軟件集成在單一可編程芯片中，從而實現片上的系統級設計。系統框圖如圖2所示[4]，由DDS基本單元（由頻率控制字，相位累加器，ROM，DAC，LPF 構成），FPGA 外部硬件資源（撥扭開關 SWITCH、鍵盤 KEY、LCD12864）和 NiosⅡ處理器系統等構成了基本電路。四位撥扭開關選擇輸出波形，鍵盤控制輸出波形信號頻率，LCD12864顯示波形信號參數，各硬件模塊之間的協調工作通過NiosⅡ微處理器在圖形化開發環境NiosⅡIDE下用C語言來編程實現控制。

圖2 系統結構示意圖Fig.2 System structure schematic

3 各模塊設計

3.1 波形數據存儲方式

通過對DDS基本原理的分析得知只需更換波形存儲器中的波形采樣數據，就可以得到所需波形的信號。波形數據存儲方式包括順序存儲方式和間隔存儲方式[5]，本設計采用順序存儲方式將方波，三角波，正弦波，鋸齒波4種波形采樣數據全部依次存儲在一個查找表里，數據分布情況如表1所示。通過改變尋址首地址，并在該波形數據存儲地址范圍內循環尋址，從而實現對所需信號波形的輸出。具體實現方法在累加控制模塊中有介紹。

表1 查找表數據分布圖Tab.1 Look-up table data distribution

DDS模塊中的波形數據存儲器是用QuartusⅡ中的MegaWizard Plug_In Manager工具添加的LPM_ROM IP核，此存儲器ROM是用波形存儲文件.mif進行初始化，波形數據可以用matlab等工具生成，用matlab生成4種波形的波表數據程序如下：

由以上代碼生成的.mif文件即可在E盤目錄下找到，將.mif文件加載到ROM中，實現對ROM的初始化。

3.2 累加控制模塊

累加控制模塊如圖3所示，為了實現波形選擇性輸出，本設計在累加控制部分增加了選擇器，即圖3的sel模塊，作為系統尋址地址的高兩位，實現對波形查找表的范圍選擇功能。累加器Altaccumulate0的輸出做為累加控制模塊的低32位的輸出，實現在指定范圍內對查找表進行尋址。此設計方法相當于做了一個多路數據選擇器 。四位撥扭開關作為sel模塊的輸入控制，將尋址地址轉換成所需波形首地址，即可實現對波形選擇的控制。Adder模塊將sel和Altaccumulate0模塊輸出進行位拼接運算。其部分代碼如下：

設計中為了節省ROM的容量而采用相位截斷的方法，取累加器輸出的高十位作為ROM的尋址地址來進行查表。

3.3 LCD 12864 IP核設計

對于Altera SOPC Builder未提供的一些外設接口模塊，用戶可以通過自定義邏輯方法在 SOPC設計中添加自己開發的IP核，通過Avalon的讀寫時序對各個設備進行操作。本設計通過構建 IP核來直接控制NiosⅡ和LCD12864的接口，按照指定的時序將波形參數顯示在LCD上[6]。在SOPC Builder中自己定義component，并把液晶顯示模塊看成外部存儲器，直接做成Avalon總線Slave設備，IP核設計包含軟件部分和硬件部分，需要寫HDL模塊，定義控制狀態、數據寄存器和控制位，描述組件與Avalon總線的接口以及組件與液晶屏的接口。系統編輯器從文件中讀取I/O信號和參數信息。其次對LCD模塊進行初始化，由于SOPC Builder中的LCDl2864控制模塊已經考慮了LCD的讀寫時序，所以使用NIOSⅡIDE進行LCD驅動和控制時只需對LCD進行初始化[7]。

3.4 NiosⅡ嵌入式處理器系統

NiosⅡ是Altera針對其FPGA設計的嵌入式軟核處理器，它與其他IP核可構成SOPC系統的主要部分。它具有靈活的自定義指令集和自定義硬件加速單元，以及圖形化開發環境NiosⅡIDE[2]。經由SOPC Builder生成NiosⅡ嵌入式處理器系統，其CPU模塊框圖如圖4所示。

圖3 累加控制模塊Fig.3 Accumulate control module

圖4 CPU模塊框圖Fig.4 CPU module diagram

利用NIOSⅡIDE開發工具完成所有軟件開發任務，系統接收撥扭開關掃描模塊發來的4位掃描碼，根據掃描碼數值的不同進入不同的子程序，然后再通過FPGA的鍵盤掃描模塊向NIOSⅡ處理器發送鍵盤掃描碼，軟核處理器根據接收到的掃描碼產生相應的信號數據以及控制信號，并通過 PIO傳送給FPGA中的 DDS模塊 ，實現頻率控制字的變化，即輸出頻率可調，并將信號數據顯示在LCD上。同時DAC器件將DDS產生的8位信號數據進行數模轉換，從而產生頻率可調的方波、三角波、正弦波、鋸齒波[8]。

4 結束語

該信號源能夠很好地滿足對不同波形、不同頻率的信號的需求，具有很強的實用性，并且可以方便地通過液晶顯示器直觀地觀察到波形信號的參數信息。由FPGA實現的DDS信號發生器不僅可實現頻率可調波形變換且具有頻率切換快，信號的質量和精度高于模擬方式的特點。

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[7]葛遠香，胡開明.基于NIOSⅡ的LCD控制器和矩陣鍵盤的IP核的設 計方法 [EB/OL]. （2010-08-16）.http://www.elecfans.com/emb/arm/20100816221785.htm1.

[8]倪亮，吳麗敏，趙鵬飛.基于SOPC基本信號產生器的設計與實現[J].電子科技，2011，24（1）:89-92.NILiang，WULi-min，ZHAOPeng-fei.The designandimplementation of basic signal generator based on SOPC[J].Electronic Science and Technology，2011，24（1）:89-92.