基于FPGA的DDS波形发生器的设计与实现

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仑肥学院学辛 (良自然科学版)20 0 7年 5月第 1 7卷第 2期

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基于 FG P A的 D S波形发生器的设计与实现 D宋寅(京师范大学信息科学与技术学院,北北京摘 107 ) 08 5

要:绍了D S的电路结构及工作原理,介 D并对各组成部分进行了理论分析,重点介绍了电路设计方法,并利

用硬件描述语言 V D H L实现,最后利用 F E L X器件实现了D S电路,出了 F G D绐 P A设计的仿真和实验.关键词:直接数字频率合成 ( D )现场可编程门阵列( P A) V D; D S; F G; H L仿真中图分类号:N 2 T 9文献标识码: A文章编号:6 3—12 20 )2— 0 3—0 17 6 X{0 7 0 0 6 4

随着数字技术和器件水平的提高,一种新的频率合成技术——直接数字频率合成 ( i c Dga Fe Dr t it r e il— qec n ei简称 D S D F ) uny yt s S h s D或 D S得到了飞速的发展.它是继直接频率合成和间接频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术,它突破了前两代频率合成法的原理,相位"从"的概念出发进行频率合成,这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,方波,三角波,而且可以控制波形的初始相位,还可以用 D S方法 D产生任意波形. D D S现已广泛应用于接收机本振,信号发生器,仪器,通信系统,雷达系统等,尤其适合于跳频无线通信系统 .

1 DDS电路结构及工作原理 目前使用最广泛的一种 D S D方式是利用高速存储器作查找表,然后通过高速 D C输出已经用数字 A形式存人的任意波形. D基于全数字技术, DS它是由基准时钟源,相位累加器,只读存储器,数模转换器和低通滤波器组成的频率合成器.本文利用 F G P A设计一个频率和相位均可控制的具有正弦波,方波,三角波输出的直接数字频率合成器( D ) D S的核心模块相位累加器可通过 V D D S.D H L语言自行设计,波形存储器调用 qa u I ur s软件的定制 R M来实现. tI O波形 R M的初始化 mf O i文件可通过 c语言编写生成. D的 DS原理框图如图 l所示 .

崩时钟源 )

图 1 D S的原理框图 D

其中为频率控制字为时钟频率, 相位累加器的字长为Ⅳ N=8, O 1R M, O 3 ( ) R M, O 2 R M的数据位及 D A转换器的字长均为 D D=8 ./ ( )相位累加器在时钟的控制下以步长作累加,输出Ⅳ位二进制码作为波形 R M的地址,波形 R M进行寻址,形 R M输出的幅码 S n, D A转换器 ( A ) O对 O波 O ()经/ D C变成阶梯波 S t, ()再经低通滤波器( P ) L F平滑后就可以得到合成的信号波形了.多路选择器可以选择相应的正

弦波,方波,三角波.合成的信号波形形状取决于波形 R M中存放的幅码, O因此用 D S D技术可以产生任意波形 .

2基于 F G的 D S设计 P A D2 1相位累加器 .如图2所示,相位累加器由Ⅳ位加法器与Ⅳ位寄存器构成.每来一个时钟脉冲,累加

收稿日期:07— 2— 7 2 0 0 2

作者简介:宋

寅 (96 )男, 18一,安徽巢湖人,京师范大学信息科学与技术学院 20级学生北 03

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合肥学院学报(自然科学版 )

第1 7卷

器将频率控制字与寄存器输出的累加相位数据相加,再把相加后的结果送至寄存器的数据输人端.寄存器将累加器在上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈到累加器的输入端;以使累加器在下一个时钟作用下继续与频率控制字进行相加.这样,相位累加器在时钟的作用下,进行相,累加,应当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出,完成一个周期性的动作,这个周期也就是 D S D信号的一个频率周期.

图 2相位累加器

在 qaul编译环境中, ur s t I设计的累加器和寄存器模块分别如图 3和图4所示:m df — f1 p口,… ,一一

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图 3累加器模块图

图 4寄存器模块图

2 2波形存储器 .

如图 5所示,用相位累加器输出的数据作为波形存储器的地址,进行波形的相位一幅

值转换,即可在给定的时间上确定输出波形的幅值.Ⅳ位的寻址 R M相当于把 0一 6 . O . 30的周期信号离散成具有 2个样值的序列, 若波形 R M有 D位数据位, 2 O则个样值的值以 D位二进制数值存放在波形 R M中, O按照地址的不同可以输出相应相位的正弦波,方波,三角波的值. q aul中调用的波形存储在 ur s t I器模块如图 6所示 .地村位量化序列 lⅣ位址

数波形 R M O据

输出波形繁化序列D位

图 5波形存储器

图 6波形存储器模块图

23/ . D A转换器的设计 D A转换器的作用是把已经合成的正弦波,/方波,三角波的数字量转换成模拟量.合成波形的幅度量化序列经 D A转换后变成了包络分别为正弦波,/方波,三角波的阶梯波.需要注意的是,频率合成器对 D A转换器的分辨率有一定的要求,// D A转换器的分辨率越高,合成波形的台阶数就越多,输出波形的精度也就越高.本设计采用 D C 82 A 0 3进行数模转换. P A与 D C 82接口电路设计如 FG A 03图 7图 8所示 .,iku io e. . . .

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图7 FG P A与 D C 82接1 A 03 2电路原理图

图 8 D C 82输出控制接1 A 03 2电路模块图

24低通滤波器的设计 .

一个理想的滤波器应在要求的频带内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外则

具有无穷大的衰减.然而实际的滤波器距此有一定的差异,为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频

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第2 期

宋寅: PA D波生设与 基于FG的D S形发器的计实现

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率特性 .用运算放大器和 R C网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点.因为不用电感元件,以免除所了电感所固有的非线性特性,磁场屏蔽,损耗,体积和重量过大等缺点.由于运算放大器的增益和输人阻抗高,输出阻抗低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用.本文主要采用二阶 R C有源低通滤波器.

3 D S整体电路设计 D

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本设计在 A ea司的 Q ats .境下编译, hr公 ur l4 2环 uI采用自上而下的设计方法,即先从系统总体要求出

发,上而下逐步将设计内容细化,自最后完成系统硬件的整体设计,根据 D S D整体电路的工作原理框图, 其核心单元将需要两个加法器,两个触发器,三个 R M存储器, O一个多路选择器和相应的输人输出信号组成. D D S的核心电路模块图如图 9所示.

图 9 D S的核心电路模块图 D

4电路仿真 D S电路在设计和仿真过程中,用 qatsI D利 ur l进行功能仿真,由于仿真波形为数字码, u不能直观地看

出DS D输出的波形,为便于调试设计电路, q auI波形仿真结果转换为波形曲线,将 ur s t I在这里借助 q aul ur s t I自动生成 dstl d.文件, b如图 1 0所示 .通过 Maa tb程序生成的正弦波, l方波,三角波的波形如图 1所示 . 10.

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图 a正弦波仿真图

图 b方波仿真图

图 c三角波仿真图

图 1 Q ats下 D S仿真波形 0 ur l uI D

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第 l 7卷

图 8正弦坡

图 b方坡

图 c三角坡

图 1 Ma a 1 t b下 D S输出各波形 l D

5实验与结论将仿真后的 D S D

工程下载到 F G P A器件中,进行电路的硬件调试,调试采用 G 4系列 E A开发实 W8 D验装置,通过 T K存贮示波器, E可观察到 D S D实际输出的各种波形,如图 l所示. 2从图 l和图 1 l 2中可以 看出仿真和实验具有很好的一致性,明本系统设计方案的有效性.说由于硬件资源的限制,本设计只能进行4位频率控制字的调试,因而频率范围相对较小.

图 a方波

图 b正弦波

图 c三角波

图 1基于 FG 2 P A的 D S出波形 D输

参考文献: []褚振勇, 1翁木云.P A设计及应用[ . FG M]西安:西安电子科技大学出版社,0 2 2 -1 20:73 . []林明权 . H L字控制系统设计范例[ . 2 VD数 M]北京:电子工业出版社,0 3 4 -4 20:65 . []周俊峰, 3陈涛.基于 F G P A的直接数字频率合成器的设计和实现[]国外电子元器件,0 3 1: J. 20 ( )4 .[]陈风,冒燕, 4波李海鸿.基于 F G的直接数字频率合成器的设计[]微计算机信息, 06 2:8 -9 . PA J. 2 0 ( ) 1910[]余勇, 5郑小林 .基于 F G P A的 D S正弦信号发生器的设计和实现[]电子器件, 0 5 9:9 - 9 D J. 20 ( )5 65 . 9[]郭军朝, 6王森章 .一种高速低功耗直接数字频率合成器的设计与实现[]微电子学, 0 4 0( ) 52— 7 . J. 2 0,1 5:7 5 4[]吉训生. 7一种高效实用的直接数字频率合成器的设计和实现[]现代电子技术,0 3 1:91 1 J. 20,5 9— . 0[]傅玉朋,明浩, 8李吕进华 . D D S技术的 F G P A设计与实现[]大连民族学院学报, 04 3:6 7 J. 2o ( )4 4 .[责任编校:已卯】

De i n a d I p e e a i n o sg n m lm nt to f DDS

Cur e Ge r t r Ba e n FPGA v ne a o s d oS ONG n Yi

( o eeo If mao c nea dT cnlg,e igN r a U vmi B in 10 7,hn ) C~ g f no t nS i c n eh o y B in o l m e~,e ig 0 8 5 C ia r i e o j m j

A s atT es utr a dpicpe fDrc D 6 M Fe u nyS nh s e y pee t n ah bt c:h t c e n r ilso i t i t rq e c y tei r e r ne a de c r r u n e z a s dc n d u n e r t al n lz d o s t e t st o e c l a a y e .C r u t e in meh d e man y i t d c d a d t e D y tm ih i y i i d s t o sa il r u e n DS s s c g y n o h e

(下转第 8 3页)

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唐微波,:据挖掘技术在零售业中的应用等数

8 3

The Da a S o p uta t c o so Te h q e i he Re a lTr d fAp lc to c ni u n t t i a e o p ia i nT N i o,A G Y - a A G We— T N uj n b i( .col f cn mc, nu nvrt, e i 2 0 3,hn; 1 Sho oo i A h i i sy H f 30 9 C ia oE s U ei e 2 A hi ako gi l rl ee p n, e . n u B n f r ut a D vl metH A c u o 20 2 C ia 3 02,hn )

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(上接第 6 6页 )d sg s r aie tl i g VHDL lng a e.F n ly,t e cr ui o e in i e lz d u ii n z a u g i al h ic t fDDS i o lt d o h e ie o s c mp ee n t e d v c f FL EX.T e smu ain a d e pe me to PGA e i r ie h i lto n x r n fF i d sg a e g v n. n

K yw r: i c Dg a Feu n yS n ei r D S;Fe rga m beG t A ry ( P A) e od Dr t i tl rq e c y t s e ( D ) i d Porm a l a r s e i h z l e a FG;VHDL;smu a in i lt o

国际数学界公认的以华人命名的数学研究成果 ( ) 5吴氏方法:文俊关于几何定理的机器证明方法.吴 吴示性类,示嵌类,氏公式:文俊关于拓扑学的研究成果 .吴吴吴吴文俊( 99 )上海人; 1 1一,中国科学院系统科学研究所研究员,中国科学院学部委员.吴文俊研究工作涉及

数学的许多领域,主要表现在拓扑学和数学机械化两个领域.为拓扑学做了奠基性的工作,他对示性类和示嵌性的研究被国际数学界称为"吴公式"",吴示性类""和吴示嵌类",对拓扑学的研究起到了承前启后的作用,不仅使示性类理论成为拓扑学中完美的一章,也使拓扑的嵌入理论发展成了统一的理论.

王氏悖论:王浩关于数理逻辑的一个命题.王浩( 9 1 19 )山东济南人; 12 - 9 5,美籍华裔数学家,逻辑学家,算机科学家,学家,计哲曾任美国洛克斐勒大学教授,美国科学院院士.

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柯一孙猜想:召与孙琦在数论方面的研究成果 .柯孙琦( 97 ) 13一四川大学教授.与柯召教授提出的猜想:任给 2他" n一1个整数,必可从中选出 n个数,其和使能被 n整除.称为"一猜想"

"柯孙 .

陈氏定理:陈景润在哥德巴赫猜想研究中提出的命题 .陈景润(9 3 19 )福建福州人; 13- 9 6,曾任中国科学院数学研究所研究员,中科院学部委员.主要研究解析数论,9 6年发表《 16表大偶数为一个素数及一个不超过两个素数的乘积之和》(简称" 2 )成为哥德巴赫猜想 1+",研究上的里程碑 .

(待续)(禾子整理)

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