基于FPGA的DDS設計與實現

靳成一+肖蕾

摘 要

DDS在電信和電子儀器方面的應用已經非常廣泛，是完成設備數字化的重要技術。筆者設計、利用ISE10.0軟件實現三相矩形波信號、正弦波信號以及調頻調相信號的波形仿真，同時用Xilinx的FPGA核心板SPARTAN3AN，與性能很好的MCU—ATMEGA128相結合，進行DDS的設計和實現。

【關鍵詞】FPGADDS設計 實現

由于直接數字頻率合成技術（簡稱DDS）有高分辨率、低功耗、低成本、全數字化接口、快速轉換時間以及容易跟微處理器結合等諸多優勢，最近這些年的發展十分迅速。盡管現在不少的芯片制造企業研發出專用DDS芯片，但在一些特殊的場合，其輸出的波形帶寬、種類以及精度等均不能滿足設計需求。故而，把DDS和高性能數字器件有機結合就成為現在的熱點課題。

1 DDS的原理

DDS主要是運用正弦信號的相位和時間成線性關系這一特征，借助查表的方法獲取信號的瞬時值，以達到頻率合成。相位累加器是通過N位加法器和累加寄存器級聯而成。每當進行一時鐘脈沖Fs，加法器都會把頻率控制字K和累加寄存器所輸出的累加相位數加到一起，把所得到的結果送到累加寄存器的數據輸入端。累加寄存器會把上一時鐘脈沖所得到的相位數反饋至加法器的輸入端，從而使加法器在下一時鐘脈沖繼續跟頻率控制字K進行相加。把相位累加器所輸出的數據當作波形存儲器的相位取樣的地址，如此就能將存于存儲器中的波形抽樣值通過表查出，以實現從相位至幅值的轉換。該存儲器的輸出數據先送至D/A轉換器中，而后由D/A轉換器把用數字量表示的波形幅值轉換為合成頻率的模擬量形式信號。

2 基于FPGA的DDS設計

2.1 系統整體設計

運用Xilinx的XC3S400FPGA，盡量達到設計的數字化與集成化。在實現的時候，運用VHDL語言將DDS進行封裝，以有效達到資源的復用和及靈活配置。加之單片機的控制、液晶顯示和數據的轉換，能夠比較理想的達到設計要求。系統的框圖如圖1中所示。

2.2 DDS核心設計

DDS的核心就在FPGA電路方面的設計。在FPGA電路實現以后，就可以在FPGA中生成波形數字信號。在設計過程里用VHDL語言，可構建一標準正弦波產生和FM調制功能的DDS模塊，同時還構建起一矩形波產生模塊。這一部分設計在ISE綜合以后的RTL級原理見圖2中所示。DDS其核心就是累加器和查表兩個模塊。

2.3 對累加器進行設計

DDS核心是相位累加器，輸出正弦波的頻率是由DDS與參考時鐘等所決定。即DDS輸出的信號頻率=（fclk×Kf）/2N，其中，累加器位數由N表示，累加時鐘頻率用fclk表示，控制字用Kf表示，因為耗時隨著位數N的變化而變化，所以，保證輸出頻率前提下，可以利用參考頻率的降低來提高其分辨率，本文N=32。

3 基于FPGA的DDS實現

3.1 設計實現在ISE中的DDS模塊

本設計利用的是ISE10.0軟件，其中各個小模塊要利用VHDL語言進行設計，結合DDS的原理，連接軟件中的各個模塊，最后實現在FPGA中DDS模塊的設計。

3.2 實現MODESIM中的仿真

在MODESIM中，對正弦波、方波和調頻波仿真，然后再檢驗仿真生成的波形。為了檢驗是否能夠符合設計要求，分別對各個波形進行如下測試，一是相位是0°、225°、315°，正弦波頻率是1KHz；載波頻率是10KHz，FM調制信號頻率是1KHz；占空比是0.5，方波頻率是50MHz等等。結果是都能滿足其要求。

4 基于FPGA的DDS硬件實現

4.1 硬件設計的實現

FPGA被作為是DDS的模塊載體，利用的核心板是SPARTAN3AN，速度高，穩定性強。在本系統中，MCU利用的是ATMEGA128單片機，此單片機是ATMEL公司開發的。而系統的主控芯片完成參數輸入是借助于4*4的薄膜按鍵，操作狀態和數據由OCMJ4x8C液晶顯示器可以顯示出來，其顯示器與DDS模塊通信，能夠對輸出的波形進行控制。

4.2 進行數據測試和相關分析

表1匯總了對三相正弦波信號頻率進行測試的結果，其中，測試數據大多間隔1分鐘。多次測量與分析發現頻率的精度要高于0.1%，而穩定度要高于10至6，同時輸出信號的峰峰值要大于等于20V，可以任意調整三相正弦信號的相位。另外，測試并且分析矩形波信號與調頻波信號，都能符合設計指標。

5 結語

綜上，利用FPGA器件，本設計采用了DDS技術進而研制了全數字波形信號發生器。通過仿真與實測說明，頻率小則切換速度快，而且頻率也容易得到控制，設計電路也較簡單。因此， 本系統可據其實際，輸出多種波形圖，功能多樣，有調頻、調相與調幅等，實用性良好。

參考文獻

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