本文利用直接数字合成技术通过一款FPGA可编程逻辑芯片实现函数信号发生器的研制

编者按：本文采用直接数字合成技术，通过FPGA可编程逻辑芯片实现函数信号发生器的开发。该信号发生器以Altera公司生产的EP4CE6F17C8芯片为设计载体，通过DDS技术实现双向同步信号输出。. 通过软件 Quartus-II12.0 和 Nios-II 12.0 开发环境编程，可以实现多种波形信号输出。该信号具有高达 36 位的高精度频率分辨率能力。最后通过实验输出的波形信号符合标准。

摘要：本文采用直接数字合成技术，通过FPGA可编程逻辑芯片实现函数信号发生器的开发。该信号发生器以Altera公司生产的EP4CE6F17C8芯片为设计载体，通过DDS技术实现双向同步信号输出。通过软件 Quartus-II12.0 和 Nios-II 12.0 开发环境编程，可以实现多种波形信号输出。该信号具有高达 36 位的高精度频率分辨率能力。最后通过实验输出的波形信号符合标准。

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介绍

随着电子技术的发展和微处理器时代的到来，数字处理技术逐渐取代模拟信号处理技术，加速了数字信号处理技术的发展。信号发生器是测试测量和仪器仪表系统中不可缺少的测试设备。信号处理技术的飞速发展和计算机技术的不断进步，使信号发生器的性能指标不断提高，功能不断丰富。在生产和科研实验中得到了越来越多的应用。例如，信号发生器用于电子系统、电路仿真和模型测试等一系列系统中。

目前，信号源主要由频率合成、信号调理和调制三部分组成。频率合成部分主要产生需要的频率和波形信号；信号调理部分实现信号的幅度参数调整；调制部分负责将低频调制信号调制到射频载波的某个参数上。信号源从频率合成原理上基本分为三类：一类是直接模拟合成技术；二是间接合成技术；三是直接数字合成技术。直接模拟合成技术的理论比较成熟，其频率切换主要受限于选频电路的电子开关滤波器的响应速度，跳频速度比较快。这种频率合成器的模拟电路较多，比较复杂。间接合成技术采用锁相环（PLL）技术。硬件电路的组成比直接模拟合成法简单，原理也比较复杂。由于锁相环本身的特性，其频率切换时间比直接数字合成要慢得多。. 直接数字合成器（Direct Digital Synthesizer）是一种比较新的频率合成技术。直接改变频率控制字即可切换频率。DDS的频率变化是瞬时的，目前可以达到纳秒级。本文开发的基于FPGA技术的DDS信号源是直接数字合成技术。

1 直接数字合成技术原理

DDS（Direct Digital Synthesizer）技术是一种新的频率合成技术，从相位的概念直接合成所需的波形。DDS利用信号相位和幅度的关系对要合成的信号波形进行相位划分，为划分后的相位值分配相应的地址，然后根据时钟频率以一定的步长提取这些地址，从而根据一定的步长在提取地址（相位累加器值）的同时，输出相应的幅度样本，这些幅度样本的包络反映了待合成信号的波形。直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器组成。

DDS技术是一种数控合成技术，它从一个标准的参考频率源产生多个频率，并通过D/A将一系列数字形成的信号转换为模拟信号。例如，正弦波的产生是利用高速D/A转换器产生一个正弦波，该正弦波已经通过高速存储器查找表以数字形式存储。图1中的频率控制字和相位控制字分别控制DDS输出正弦和余弦的频率和相位。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个累加器和一个N位相位寄存器组成。每次时钟脉冲到来时，相位寄存器以步长 M 递增。相位寄存器的输出被添加到相位控制字中，并将结果作为正弦查找表的地址。正弦查找表由ROM组成，里面存储了周期正弦波的完整数字信息。每个查找表的地址对应正弦波0。-2π范围内的一个相位点。查找表将输入的地址信息映射成正弦数字幅度信号，同时输出到模数转换器D/A。模数转换器D/A输出的模拟信号经过低通滤波器，可以得到纯正弦波谱。海浪。查找表将输入的地址信息映射成正弦数字幅度信号，同时输出到模数转换器D/A。模数转换器D/A输出的模拟信号经过低通滤波器，可以得到纯正弦波谱。海浪。查找表将输入的地址信息映射成正弦数字幅度信号，同时输出到模数转换器D/A。模数转换器D/A输出的模拟信号经过低通滤波器，可以得到纯正弦波谱。海浪。

这种频谱纯正弦信号可以用以下公式描述：

(1)

它的阶段是：

(2)

显然，正弦信号的相位和幅度是连续的。为了便于数字技术的使用，应将连续的正弦信号离散化，即将相位和幅度转换为数字量。

正弦信号用频率为 fclk 的参考时钟进行采样，因此在一个参考时钟周期 Tclk 内，相位变化为：

(3)

由公式(3)得到的Δθ为模拟量。为了将Δθ转化为数字量，将2π分割为2N等份作为最小量化单位，从而得到Δθ数字量M为：

(4)

将公式 (3) 代入公式 (4) 得到：

(5)

更改后，我们得到：

(6)

目前，DDS技术具有超宽相对宽带、超高开关速率、超精细分辨率和相位连续性、可编程、全数字化、易于实现各种调制等优点。精度可靠，抗干扰能力强。但存在误差大的缺点，受限于数字电路的工作速度，DDS的频率上限只能达到数百兆。

2 总体方案的选择

DDS信号发生器的设计方案有很多，可以通过单片ASIC芯片、高速微处理器芯片或FPGA芯片来解决。基本设计方案如下。

2.1 采用高性能DDS集成电路方案

随着微电子技术的飞速发展，高性能、性能卓越的DDS产品不断推出，美国AD公司也相继推出了自己的DDS系列：AD9850、AD9851、AD985< @1、可实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854和以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列产品性价比高，目前已得到广泛应用。使用专用DDS芯片AD9850进行电路设计信号发生器 函数发生器 区别，其典型电路如图2所示。

优点：开发周期短信号发生器 函数发生器 区别，实现系统简单（最小系统+DDS芯片），系统后增加模拟调理电路。

缺点：虽然国外厂商芯片的输出指标很高，比如AD9852、AD9854，而且实现起来比较简单，只需要派人按照指定的公式计算频率控制字即可输出波形，但存在功能单一的缺点。

2.2 使用FPGA芯片的DDS解决方案

DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字设备。FPGA芯片具有高速、大规模、可编程和强大的EDA软件支持等特点，非常适合实现DDS技术。Altera 的现场可编程逻辑阵列具有高性能、高集成度和高​​性价比的优势。此外，它还提供完善的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等，因此Altera的产品都在实现DDS。技术已被广泛使用。通过FPGA技术，可以根据需要灵活实现各种复杂的调频、调相、调幅功能，具有很好的实用性。就生成的波形信号的质量而言，专用DDS芯片采用特定集成工艺，内部数字信号抖动小，可输出高质量模拟信号，但控制功能单一且固定；FPGA还可以输出高质量的信号，而且输出信号灵活。虽然达不到专用DDS芯片的水平，但信号精度误差在允许范围内。

基于DDS技术原理选用的可编程逻辑器件、D/A转换模块和外部存储模块通过数学函数产生波形信号。电路整体结构框图如图3所示。

优势：

（1)RAM查表法的结构比较简单，只需要在RAM中存储不同相位对应的幅度序列，然后根据相位累加器的输出寻址即可。之后D/A数模转换器和低通滤波器输出。

（2)硬件实现比较简单，可以实现任意波形的输出。

在DDS原理的基础上，可编程逻辑芯片设计的DDS硬件电路也可以实现专用DDS芯片产生的波形性能。因此，本系统采用的方案技术是基于FPGA技术的DDS设计方案。

3 硬件电路设计

本文提出的信号源将采用方案2来实现，其原理是通过直接数字合成的方式逐点读出波形存储器中的波形数据，并通过D/A转换器输出所需的波形，低电平-通过过滤器。频率变化可以通过改变参考时钟的频率和计数步长来实现。本系统的硬件结构框图如图3所示。

本文提出的基于FPGA技术的DDS信号源技术方案具有高速、大规模、可编程性和强大的EDA软件支持，非常适合实现DDS技术。因此，本系统采用Altera公司。采用Cyclone IV型EP4CE6F17C8作为波形产生的核心元件，具体芯片特性如下。

（1)低功耗，高性能，6272个控制逻辑单元，片上电压支持3.3V，2.5V，核心电压1.2V。

(2)支持多种下载方式，支持AS、AP、PS、FPP、JTAG。

(3)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发成本最低、风险最低的器件之一。

(4)FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，兼容CMOS和TTL电平。

3.1 电源电路设计

本系统使用的 FPGA 是 Altera 的 Cyclone IV 类型 EP4CE6F17C8。芯片的片上电压支持3.3V、2.5V、1.2V。电压器件AMS1117系列分别产生相应的电源电压供给开发系统。该线性稳压芯片使用简单，纹波电压小，对系统干扰小。电源电路如图 4 所示。