基于FPGA+DDS的正弦信号发生器的设计

1971年，美国学者TIERNCY J、TADER C M和GOLD B在《A Digital Frequeney Synthesizer》一文中提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理，称之为直接数字频率合成器DDS（Direct Digitial Frequency Synthesis）[1].这是频率合成技术的一次重大革命，但限于当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，DDS并没有得到足够的重视。随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速发展，数字频率合成技术得到了质的飞跃，它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面，已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。因此广泛用于通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域[1-2].

目前实现DDS的技术方案大致分为两种，一是用专用的DDS芯片来实现。常用的DDS芯片有ADI公司的AD9xxx系列，如其中的AD9913，它具有高达100 MHz的模拟输出，内部集成一个10位的D/A转换器，频率分辨率≥0.058 Hz，相调谐分辨率为0.022°[3].另一种是用FPGA来实现。可编程的FPGA器件具有内部资源丰富、处理速度快、可在系统内编程并有强大的EDA设计软件支持等特点。因此，基于FPGA的设计相对于专用DDS芯片，可使电路设计更加灵活、提高系统的可靠性、缩短设计周期、降低成本。所以，采用FPGA设计的DDS系统具有很高的性价比。

1 DDS基本原理

直接数字频率合成的理论依据是采样定理，即先对一个完整周期的正弦波进行N点采样，然后把采样点存储在ROM中构成一个查找表，频率合成时，相位累加器在参考时钟的作用下控制ROM中数据的输出。ROM的输出经过D/A转换，将一个阶梯化的信号（即采样信号）通过一个理想的低通滤波器，就得到符合要求的模拟信号。

DDS的基本结构如图1所示，主要由相位累加器、相位调制器、波形ROM查找表、DAC和低通滤波器（LPF）构成。其中相位累加器、相位调制器、波形ROM查找表是DDS结构中的数字部分，由于具有数控频率合成的功能，又合称为NCO（Numerically Controlled Oscillators）。

2 DDS波形发生器的系统设计

本系统分为软件设计和硬件设计两部分，软件部分主要是基于FPGA的程序设计，硬件部分包括D/A转换和低通滤波器设计。

2.1 VHDL程序设计

2.1.1定制波形数据文件

在设计DDS信号源之前，先建立一个储存波形数据的ROM，储存波形数据文件有。mif和。hex两种格式。。mif和。hex格式的文件可以用Quartuas II建立，也可以用Quartuas II以外的编辑器设计，如MATLAB、C语言等。本系统的ROM文件一个周期有1 024个点的正弦波数据、10 bit地址线和10 bit数据线。

图2 DDS的软件设计框图