基于fpga的dds信号源设计

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1、基于FPGA的DDS信号源设计摘要:本设计采用直接数字频率合成(DDS)的设计方法，以现场可编程门阵列（FPGA）作为硬件基础，对DDS信号源进行电路设计，利用单片机实现对输出频率和相位的预置及显示的软件控制，通过通信接口下载波形数据实现波形数据更新，可产生高分辨率输出波形。关键词:直接数字频率合成，现场可编程门阵列，数/模转换器，MCU中图分类号:0540,0250文献标识码:AThedesignofaDDSgeneratorbasedonFPGAAbstract:Inthispaper,anarbitrarywaveformgenerator(

2、AWG)isdesignedbasedonthetheoryofdirectdigitalsynthesis(DDS)andontheanalysisoftheperformanceoftheoutputsignal.Thedesignusesafieldprogrammable-gate-array(FPGA)chiptoutilizetheAWG.Thepresetanddisplayoftheoutputfrequencyandphasearecontrolledbyamicrocomputerunit(MCU).Theartribarywa

3、veformdatacanbedownloadedandupdatedfromacommunicationinterface.TheAWGcanproduceahigh-resolutionarbitrarywaveform.Keywords:DDS,FieldProgrammable-Gate-Array,Digital-to-AnalogConverter,MCU1引言信号源又称信号发生器是一种常用的仪器，它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域，信号发生器和示波器、电压表、频率

4、计等仪器一样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。一般传统的信号发生器能产生一些规则的信号如正弦波、方波、脉冲波、三角波等,而任意波形信号发生器可以产生某些不规则的信号乃至于任意信号，可用于对瞬变波形和电子设备中出现的各种干扰的模拟。2DDS（直接数字频率合成）基本原理直接数字频率合成(DirectDigitalSynthesis,简称DDS)技术是频率合成领域中的一项新技术。如图1为DDS基本组成框图。图1DDS基本组成框图DDS是基于数值计算信号波形的抽样值来实现频率合成的，其工作原理是根

5、据相位和幅度的对应关系,通过改变频率控制字来改变相位累加器的累加速度,然后在固定时钟的控制下取样,取样得到的相位值通过相位幅度转换得到与相位值对应的幅度序列,幅度序列通过数模转换得到模拟形式量化的正弦波输出。图2DDS各点输出信号波形DDS的核心就是相位累加器，利用它来产生信号递增的相位信息，整个DDS系统在统一的参考时钟下工作，每个时钟周期相位累加器作加法运算一次。加法运算的步进越大，相应合成的相位值变化越快，输出信号的频率也就越高。对于幅值归一化的正弦波信号的瞬时幅值完全由瞬时相位来决定，因为所以相位变化越快，信号的频率越高。ROM表完成将累加

6、器相位信息转换为幅值信息的功能。再由D/A完成数字抽样信号到连续时域信号的转换，D/A输出的台阶信号再经低通滤波器平滑以得到精确的连续正弦信号波形。图2是DDS各点输出信号波形。相位累加器字长为N，DDS控制时钟频率为fc，时钟周期为，频率控制字为K。系统工作时，累加器的单个时钟周期的增量值为，相应角频率为，所以DDS的输出频率为，DDS输出的频率步进间隔。因DDS输出信号是对正弦波的抽样合成，所以应满足Niqust定理的要求，即，也就是要求，根据频谱性能的要求，一般取。当DDS相位累加器采用32位字长，时钟频率为30MHz时，它的输出频率间隔可达

7、到。可见，DDS的基于累加器相位控制方式给它带来了微步进的优势。DDS频率合成器具有以下优点：(1)频率分辨率高，输出频点多，可达个频点(假设DDS相位累加器的字长是N)；(2)频率切换速度快，可达us量级；(3)频率切换时相位连续；(4)可以输出宽带正交信号；(5)输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用：(6)只需改写存储器中的波形数据即可产生任意波形：(7)全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。3基于FPGA的硬件电路设计早期的DDS系统使用分离的数字器件搭接,随着整个电路系统运行频率的升高,采用分离器件构建的DDS电路有其自身无法

8、克服的缺点,主要表现在电磁兼容和系统工作频率上。后来出现的专用DDS芯片极大的推动了DDS技术的发展，DDS专用芯片电路广