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直接數字合成器，是采用數字技術的一種新型頻率合成技術，他通過控制頻率、相位增量的步長，產生各種不同頻率的信號。他具有一系列的優點；較高的頻率分辨率；可以實現快速的頻率切換；在頻率改變時能夠保持相位的連續；很容易實現頻率、相位和幅度的數控調制等。目前可采用專用芯片或可編程邏輯芯片實現DDS，專用的DDS芯片產生的信號波形、功能和控制方式固定，常不能滿足具體需要。可編程邏輯器件具有器件規模大、工作速度快及可編程的硬件特點，并且開發周期短，易于升級，因為非常適合用于實現DDS。 1 DDS的工作原理 DDS的結構原理圖如圖1所示，DDS以數控振蕩器的方式，產生頻率、相位和幅度可控的正弦波。電路包括了相位累加器、相位調制器、正弦ROM查找表、基準時鐘源、D/A轉換器等組成。其中前三者是DDS結構中的數字部分，具有數控頻率合成的功能。 DDS系統的核心是相位累加器，完成相位累加過程。在基準時鐘的控制下，頻率控制字由累加器累加，以得到相應的相位數據，相位調制器接收相位累加器的相位輸出，主要用于信號的相位調制，其輸出的數據作為取樣地址來尋址正弦ROM查找表，完成相位-幅度變換，輸出不同的幅度編碼；再經過D/A轉換器得到相應的階梯波；最后經低通濾波器對階梯進行平滑處理，即可得到由頻率控制字決定的連續變換輸出的正弦波。 2 基于DSP Builder和DDS設計 2.1 DSP Builder簡介 DSP Builder是美國Altera公司推出的一個面向DSP開發的系統級工具，他作為Matlab的一個Simulink工具箱，使得用FPGA設計DSP系統完全通過Simulink的圖形化界面進行建模、系統級仿真，設計模型可直接向VHDL硬件描述語言轉換，并自動調用QuartusⅡ等EDA設計軟件，完成綜合、網表生成以及器件適配乃至FPGA的配置下載，使得系統描述與硬件實現有機的融合為一體，充分體現了現代電子技術自動化開發的特點與優勢。 2.2 DSP Builder設計原理及參數設置 基于DSP Builder的DDS系統如圖2和圖3所示，DDS子系統Subsystem有3個輸入，分別為Freqword（32位頻率控制字）、Phaseword（32位相位控制字）、Amp（10位幅度控制字）；一個輸出，即10位DDSOut輸出。2個Parallel Adder Subtractor分別為相位累加器和相位調制器，LUT為正弦ROM查找表。設置Simulink的仿真停止時間stop time為5，仿真步進Fixed Step Size為le-3。圖（4）對應頻率、相位和幅度控制字分別為4000000，0和10（參數1）時DDS系統的輸出波形，圖5對應頻率、相位和幅度控制字分別為9000000，500000000和15（參數2）時DDS系統的輸出波形。 3 基于FPGA的DDS設計 3.1 DDS的FPGA實現 Matlab/Simulink對已經設計好的DDS系統進行編譯，通過調用DSP Builder的SignalCompiler工具可直接生成QuartusⅡ 工程文件，再調用QuartusⅡ完成綜合，網表生成和適配，直至完成FPGA的配置下載過程。 本設計方案采用的FPGA芯片是Altera公司的Cyclone系列芯片EP1C6Q240C8，，其容量6000個邏輯宏單元，等效于標準15萬邏輯門電路，速度為-8，完成可通過單片芯片電路實現DDS，相位累加和相位調制器均為32位，正弦ROM查找表存儲1024×10b波形數據，系統時鐘為55.6MHz，利用FPGA可以根據需要方便地實現各種比較復雜的調頻，調相和調幅功能，具有浪費的實時性。 3.2 仿真結果 使用QuartusⅡ對DSP builder生成的工程文件進行仿真，針對不同參數設置的DDS系統，其仿真波形圖如圖6和圖7所示。 圖中，clock為系統時鐘，sclrp為高電平復位信號，iFreqwords，iPhasewords和iAmps分別為輸入頻率、相位和幅度控制字，oDDSOut為輸出信號。當復位信號sclrp到來后，向相位累加器賦0，并向相位調制器賦一個初始相位值，在時鐘信號的控制下，頻率控制字控制相位累加器累加，相位調制器進行相位調制，其輸出數據作為取樣地址尋址ROM查找表，便可以在oDDSOut管腳上輸出連續的正弦波信號。在不同的參數設置下，QuartusⅡ中的仿真結果與Matlab/Simulink中的仿真結果在相位，頻率和幅度上基本一致。利用FPGA能輸出較高質量的信號，雖然內部數字信號有一定的抖動，但通過采用抖動注入技術、延時疊加法等方法，通常也能將誤差保持在允許范圍之內。 4 結論 利用可編程邏輯芯片設計DDS的方法通常是采用VHDL語言輸入和原理圖法相結合來設計整個信號發生電路，這種方法通常需要調用很多模塊，綜合性較強，對設計者要求較高。本文利用QuartusⅡ和Matlab/Simulink之間的接口工具DSP Builder來設計整個DDS系統，DSP Builder具備一個友好的開發環境，并且和QuartusⅡ交互性強，易于使用。設計者只需簡單了解VHDL描述語言，就可以直接調用已經建立好的Matlab和Simulink設計流程，通過Simulink的圖形化界面進行建模、系統級仿真，并子對調用QuartusⅡ進行綜合，網表生成和適配，最后完成向FPGA的配置下載過程。整個設計思路靈活，圖形界面簡單直觀，開發周期短。仿真結果表明，該設計方案原理正確，行之有效。用FPGA實現DDS較專用DDS芯片更為靈活，只要改變FPGA中ROM內的數據和控制參數，DDS就可以產生任意調制波形，且分辨率高，具有相當大的靈活性。將DDS設計嵌入到FPGA芯片所構成的系統中，其系統成本并不會增加多少，而購買專用芯片的價格則是前者的很多倍。所以采用FPGA設計DDS系統具有很高的性價比。 |
