基于FPGA的DDS信号发生器的设计

基于FPGA的DDS信号发生器的设计

陈慰安

广东省博罗县质量技术监督检测所  广东省  惠州市  516100

摘要：DDS是一种新的频率合成技术，也是一种新的信号生成技术。该方法具有频率分辨率高、频率转换快、相位变化时能保持相位连续，易于实现频率、相位、振幅等数字调制。因此，DDS在现代电子设备尤其是通信领域中得到了广泛的应用。

关键词：FPGA；DDS信号发生器；设计

1FPGA和DDS相关概述

FPGA(FieldProgrammableGateArray）是一种高集成度、高速度、高存储能力的器件。该方法能够有效地实现DDS技术，极大地改善了功能信号发生器的工作效率，并大幅度降低了电子设备的制造成本。传统的信号源电路采用模拟电路、单片机或DDS专用的芯片。尽管其应用领域广泛，但是仍然有很多缺点，例如：设计方案成本高，输出波形类型少，输出信号频率控制不灵活，系统升级困难等。传统的信号源存在两大问题。一种是调节电压调节器来调节输出的频率，使其难以调节到一个固定的数值；另外，脉冲的工作周期是不能调节的。

DDS技术是目前世界上最主要的一种数字技术，它有很多优势。DDS技术是一种低功耗、低成本、高转换频率和高分辨率的频率合成技术。通常，DDS技术有如下几种产生信号的方法：①集成电路功能信号发生器通常能用于产生信号，但是它的功能不全、可用性低、精度低、不能满足高频信号的需要。②利用MCU的功能产生器来完成：MAX038的优势在于生成高频信号并生成不同的波形，但是MAX038的输出频率是由模拟信号控制的。该方法既要实现对信号的变换，又要对其进行控制。由于步长的增大，导致了频率的精确度下降，使得电路变得更为复杂。DDS技术是一种新的频率合成技术，它与前面所说的信号产生方式相比，可以直接进行DDS芯片的合成，具有操作简单、节约资源等优点。

2DDS原理

DDS是一种将一系列的数字信号变换成模拟信号的信号综合技术。该系统能够实现快速的调频，并能在相位改变时保持持续。该系统具有较高的频率、相位和振幅精度。从DDS的基本原理出发，以FPGA为核心的DDS信号源的设计更加具有实际意义。FPGA芯片具有很大的逻辑元件，可以达到很小的步进频率，并且可以改善产品的精确度。若采用高速DA/转换器作辅助，可获得较高的频率。DDS的结构有四种：相位累加器，波形存储器，数模转换器，低通滤波器。该累加器通过主输入时钟fclk与频率控制字N，能够将所需要的波形的资料表地址输出，并在该波形存储器中发现对应的波形幅度，从而决定该输出波形。本系统以FPGA为核心，以51微控制器为核心，设计了一种新型的信号源。这样既能增强MCU和FPGA的应用，又能了解FPGA与MCU的结合。

3信号发生器硬件

DDS技术将FPGA芯片的高速运算能力相结合，通过合适的信号调节和电路保护等特点。采用FPGA可以在保证产品寿命的前提下，提高数据量和快速处理速度。FPGA部分完成了DDS的主要功能，NIOSIICPU的运行程序可以设定和显示所有的参数。设计了一种触摸DDS信号源。具体的输出信号的最高频率取决于DAC的转换速率。

3.1FPGA芯片选型

FPGA是实现SOPC系统的关键部件，它可以生成功能信号，并为SOPC系统提供服务。根据实际需求，选择了阿尔特隆IV系列EP4CE10F17C8NFPGA芯片，其逻辑单元10320,M9K内存块270KbitsM9K,15个18x18乘法器，10个时钟网络，2个PLL。本芯片可以满足不同的数字信号系统需求，同时也可以提供更多的时间资源。FPGA在整个设计中起着关键作用。基于IP软内核的SOPC系统能够实现嵌入式软件内核的可编程逻辑。在软件设计理念的基础上，利用嵌入式平台的通用特性，可以大大缩短电子产品开发周期，提高产品性能。在Quartus平台上开发了AlteraFPGA芯片，其核心内容包括：功能信号的可编程逻辑设计以及QSYS嵌入式系统平台的设计。

3.2DA模块设计

系统使用AD9767DAC芯片AD9767，其在模拟半导体行业中享有很高的声誉。本芯片具有14比特的解析度和125Msps的转换率，并具有I、Q两种输出方式。该芯片的输出采用微分电流，其输出电流在2-20毫安之间。由于该芯片具有1.2V的基准电压，所以该芯片无需提供外界基准电源。由于该芯片是一种电流型，其输出功率在2~20mA之间，所以在实际应用中，一般都是采用电压信号，所以必须将AD9767的输出电流变换成电压。每一个输出都采用了一个二级的运放电路。第一个步骤是将电流转化为电压，然后进行适当的放大。DAC的输出电流经过变换和放大，达到-1V至+1V。第二阶段为-1-1V-+1V的放大电路。通过滑动式变阻器，可以调节特定的信号放大率。

4工程应用

在相控阵雷达试验性验证试验中，采用了测试性指标作为检验目标，通过集成试验验证平台对该系统进行了检验。该雷达系统包括24个模块，其测试等级是模块化。通过对雷达的FMECA分析和可测性模型的研究，发现了477种不同的失效方式。故障模式可注入性分析，可注入249种故障模式，相当注入168种故障模式，不能注入60种故障模式。针对测试和故障注入的需要，研制了一种新的测试平台，包括总线故障注入器、高速数字电路故障注入装置、嵌入式射频故障注入装置、TR器件等效故障注入装置、故障注入适配器等。该平台的故障采样、故障注入、故障确认、测试记录存储、测试指标测试平台等均可实现自动化，极大地提高了测试工作的工作效率。

5国内外波形发生器发展现状

二十世纪70年代以前，有两种主要的信号产生装置：正弦波与脉冲波。此阶段的波形发生器多为模拟电子技术，而由模拟元件构成的电路体积大、成本高、功耗高、电路结构复杂，信号波形也比较复杂。20世纪70年代以后，微处理器的问世使波形发生器可以利用处理器、模/数、数/A、硬件、软件等技术来实现，从而使波形信号更加复杂。在这段时间里，大部分的波形发生器都是以软件为基础，利用微处理器对DAC进行程序控制，从而得到了各种各样的简单波形。20世纪90年代后期，各种高性能、价格低廉的波形发生器相继问世，但是HP公司开发了HP770S信号仿真设备，它采用HP8770A的任意波形和HP1776A的波形产生软件构成。实际上HP8770A的输出波形仅有八种，其成本也很高。21世纪，随着IC技术的迅速发展，各种频率在GHz以上的DDS芯片纷纷问世，从而推动了波形发生器的研制。2003年，Airent公司的33220A系列产品能够发出17种最大功率20M的波形。在2005年，它的N6030A系列产品可以输出500MHz的频率，并且可以在L25千兆赫的取样。近年来，由于集成电路的技术与装备水平的不断提升，国外厂商纷纷开发出高通公司的Q2230、Q2334、AD公司的AD9955、AD9850、AD9851、AD9852等。

6结语

采用FPGA技术设计的DDS信号源能实现各种波形的输出。采用FPGA芯片设计的DDS系统，转换时间短，精度高，相位连续变换，能很好地利用FPGA技术。输出频率可以随着频率控制字K的数值变化而变化。通过在ROM中更改数据，可以改变输出波形，这是非常灵活的。

参考文献：

[1]闫明亮.基于FPGA技术的信号发生器设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

[2]唐明.基于FPGA与PC机串行通信Uart模块设计[D].武汉:华中师范大学,2013.

[3]刘域.基于FPGA与DDS技术的任意波信号发生器设计[D].西安:西安理工大学,2016.