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基于SOPC的DDS信号发生器设计

发布时间:2020-07-21 18:00:00 阅读: 来源:中空玻璃设备厂家

摘 要:直接数字频率合成技术是一种新型的信号产生方法,是现代信号源的发展方向。该系统由FPGA 控制模块、键盘、LED 显示组成,结合DDS 的结构和原理,采用SOPC 和DDS 技术,设计出具有频率设置功能的多波形信号发生器。以Altera 公司的CycloneⅡ的核心器件EP2C35 为例,NIOS ⅡCPU 通过读取按键的值,实现任意步进、不同波形的输出显示功能。

本文引用地址: 引 言

直接数字频率合成( Dir ect Dig ital Frequency Synthesis,DDS) 是一种新型的频率合成技术,它把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平,并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。在现代通信领域中,DDS 的应用极其广泛。实现DDS 常用的方法是采用专用的DDS 芯片,控制部分采用独立的MCU ,这样设计出来的系统的集成度和扩展性不尽人意。随着大规模现场可编程门阵列的推出,SOPC 的不断发展,设计人员可以在FPGA 的嵌入式软核处理器上设计各种系统,满足用户需求。本文基于SOPC 技术设计直接数字频率合成器,选用A ltera公司的新一代FPGA( Cyclone Ⅱ) 为核心,利用FPGA的逻辑单元实现相位累加等数字逻辑功能,在ROM 中分别放入正弦表、方波表、三角波表、锯齿波表,用软核CPU 做控制,实现频率、相位、波形选择等。这样可以大大减小处理器外围扩展电路数目,还提高了系统的稳定性和抗干扰能力,节省了内部资源。

1 系统方案设计

系统采用SOPC 设计方案。整体系统框图如图1所示,它由频率预置电路、波形选择、波形频率控制、累加器、存储波形数据的存储器和D/ A 转换电路、滤波电路组成。累加器模块由10 位加法器与10 位寄存器级联而成。波形存储器中放入正弦波、方波、三角波、锯齿波的数据。

图1 整体系统框图

1. 1 DDS 基本工作原理

DDS 的基本原理是利用采样定理,通过查表法产生波形。一个完整DDS 结构图如图2 所示。

图2 DDS 结构图

相位累加器在每一个时钟上升沿与频率控制字K累加一次,当累加器计数大于2N 时,相位累加器相当于进行一次取模运算。在每一个时钟周期内,根据送给ROM 的地址,取出ROM 中与该地址相对应的波形的数据,读取出ROM 中的数据后通过D/ A 转换器,将数字量转换成模拟量,通过低通滤波电路,可输出一个平滑的波形。

假设频率为f c 的载波,它的时域表达式为:

其相位表达式为:

输出频率f 0 与时钟频率f clk之间的关系满足:

当K = 1 时,DDS 有最小频率输出,因此DDS 的步长为f clk / 2N ,最大输出频率为f clk / 2。在本设计中,将N 设定为10 位,M 设定为12 位,相位累加器在时钟的控制下,以步长K 进行累加,输出N 位二进制码,并以其作为波形ROM 的地址,对波形存储器ROM 寻址,波形存储器ROM 输出的数据经过D/ A 转换成阶梯波后,经过低通滤波器平滑后,便得到合成后的波形了,合成后的波形形状取决于波形选取和ROM 中的数据。

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