基于FPGA的DDS基本信号发生器的设计

摘要：本设计基于DDS原理和FPGA技术按照顺序存储方式，将对正弦波、方波、三角波、锯齿波四种波形的取样数据依次全部存储在ROM波形表里，通过外接设备拨扭开关和键盘控制所需波形信号的输出，最终将波形信息显示在LCD液晶显示屏上。各硬件模块之间的协调工作通过嵌入式软核处理器NiosⅡ用编程实现控制。本设计所搭建的LCD12864控制器是通过编程实现的IP核。
关键词：DDS；FPGA技术；顺序存储；NiosⅡ；IP核

DDS(DiFeet Digital Frequency Synthesis)即直接数字式频率合成，是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。与传统信号源所采用的用模拟方式生成信号不同，它是将先进的数字信号处理理论与方法引入信号合成领域。DDS技术在精确度、灵活度等方面都超过模拟信号发生器。并且DDS可实现相位连续变化，且具有良好频谱的信号，这是传统方法无法实现的。
FPGA的迅速发展为DDS提供了更加优良的技术手段，它具有处理速度快、可靠性高等特点。SOPC(System On Programmable Chip，片上可编程系统)是一种灵活、高效的SOC解决方案。它以IP Core为基础，将处理器、存储器、IO口等系统设计需要的功能模块集成到一个FPGA器件上，构建成一个可编程的片上系统，具有灵活的设计方式。本设计综合以上软硬件可编程协同设计技术，使得DDS电路在灵活性，可行性，精确性等方面得到很大提高。

1 DDS的基本原理
DDS信号发生器是由：频率控制字、相位累加器、ROM表、D／A转换器以及模拟低通滤波器LPF组成，原理框图如图1所示。

首先对波形的一个周期进行连续采样，通过计算得到每一点对应的幅度值，然后以二进制格式存放在数据文件中。在时钟脉冲fclk驱动下，每个时钟周期内频率控制字与相位累加器累加一次，产生ROM查找表的地址值，随后通过查表变换，地址值被转化为信号波形的数字幅度序列，即可得到幅度上离散的波形，再由数模变换器(D／A)将表示波形幅度的数字序列转化为模拟量。最后经由LPF将D／A输出的阶梯状波形平滑为所需的连续波形。理论上，采样点数越多，生成波形精确度越高。

2 基于FPGA的DDS设计
本设计在Altera的EP2C35F672C8芯片的基础上，在SOPCBuilder和OuartusⅡ开发环境下，利用SOPC技术，在FPGA中集成Altera的嵌入式软核处理器NiosⅡ和其他外设，将硬件系统与软件集成在单一可编程芯片中，从而实现片上的系统级设计。系统框图如图2所示，由DDS基本单元(由频率控制字，相位累加器，ROM，DAC，LPF构成)，FPGA外部硬件资源(拨扭开关SWTCH、键盘KEY、LCD12864)和NiosⅡ处理器系统等构成了基本电路。四位拨扭开关选择输出波形，键盘控制输出波形信号频率，LCD12864显示波形信号参数，各硬件模块之间的协调工作通过NiosⅡ微处理器在图形化开发环境NiosⅡIDE下用C语言来编程实现控制。