基于DDS原理的任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、文章編號(hào):1002-6886(200604-0074-03基于DDS 原理的任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)徐金龍,劉宇紅,劉橋(貴州大學(xué)電子科學(xué)系,貴州貴陽550025作者簡(jiǎn)介:徐金龍,男,漢族,重慶市大足縣人,在讀研究生,研究方向:信息工程,控制與測(cè)量,信號(hào)處理。劉宇紅,男,碩士生導(dǎo)師,副教授,主要從事信息工程、信號(hào)處理等領(lǐng)域的研究。劉橋,男,博士生導(dǎo)師,教授,主要從事電路與系統(tǒng)、微電子材料、IC 設(shè)計(jì)與應(yīng)用等領(lǐng)域的研究。收稿日期:2005-12-9摘要:本文介紹了一種用AVR 系列單片機(jī)A Tmega8來控制FP GA 實(shí)現(xiàn)的DDS 電路,并用SRAM 取代ROM 的一種任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

2、。用FP GA 來實(shí)現(xiàn)DDS 電路和SRAM 是為了增加系統(tǒng)的靈活性,以便產(chǎn)生所需要的信號(hào)波形。關(guān)鍵詞:DDS 任意波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)B ased on DDS Principle Free W ave 2form G enerator DesignXU Jin 2long ,Liu Yu 2H ong ,LIU Q iaoAbstract :This article introduced one way of control FP GA wit h AVR series monolit hic integrated circuit A Tmega8t he reali 2zation t h

3、e DDS electric circuit ,and substitutes for ROM wit h SRAM one kind of free wave -form generator design.Realizes the DDS electric circuit and SRAM wit h FP GA is for increase t he system t he flexibility ,in order to have the waveform which needs.K ey w ords :DDS ;free profile ;signal generating dev

4、ice ;design1引言直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Syn 2thesis 即DDFS ,一般簡(jiǎn)稱DDS 是一種新的頻率合成技術(shù),同傳統(tǒng)的直接頻率合成(DS 、鎖相環(huán)間接頻率合成(PLL 方法相比,它具有很多優(yōu)點(diǎn):頻率切換時(shí)間短、頻率分辨率高、相應(yīng)變化連續(xù)、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的多種調(diào)制等1。最近幾年來,隨著集成電路技術(shù)和器件水平的提高,國外一些公司先后推出各種各樣的DDS 專用芯片,如Qualcomm 公司的Q2230、Q2334,AD 公司的AD9955、AD9850、AD9851、AD9852等2。這些產(chǎn)品的問世,為電路設(shè)計(jì)者提供了良機(jī),滿足了工

5、程實(shí)際的需要。然而,商用DDS 專用電路芯片也有它的局限性,并不能滿足所有要求。例如要產(chǎn)生一些特殊波形,利用現(xiàn)有的商用芯片就會(huì)遇到一些困難。由于近幾年來可編程器件CPLD 、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FP GA 技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,使用可編程器件實(shí)現(xiàn)DDS 技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注。2DDS 基本原理直接數(shù)字頻率合成是基于奈奎斯特抽樣定理和數(shù)字波形合成原理,而發(fā)展起來的一種數(shù)字化的頻率合成技術(shù)。根據(jù)該定理,對(duì)于1個(gè)周期的連續(xù)正弦波信號(hào),可以沿著其相位軸方向,以等量的相位間隔對(duì)其進(jìn)行相位/幅度采用,得到1個(gè)周期性的正弦信號(hào)的離散相位的幅度序列,并對(duì)模擬幅度進(jìn)行量化,對(duì)量化后的幅度采用相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)

6、據(jù)進(jìn)行編碼。這樣就可以把1個(gè)周期性的連續(xù)正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成1系列離散的二進(jìn)制序列,最后把它存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器中,每個(gè)存儲(chǔ)單元的地址就是相位取樣地址,而存儲(chǔ)單元的內(nèi)容即是量化的正弦波的幅度值。這樣的1個(gè)只讀存儲(chǔ)器構(gòu)成1個(gè)與2周期內(nèi)相位取樣相對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)查找表,由于其存儲(chǔ)的是1個(gè)周期的正弦波波形的幅度值,所以又稱其為正弦波波形存儲(chǔ)器。一個(gè)完整的DDS 內(nèi)部結(jié)構(gòu)由位頻率控制寄存器、模2N 加相位累加器、正弦“相位-幅度”轉(zhuǎn)換表ROM 存貯器及數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 等幾部分組成。如圖1所示。在頻率更新時(shí)鐘f H 上升沿時(shí),頻率控制字K 鎖存于N 位的頻率調(diào)節(jié)字寄存器內(nèi)。在系統(tǒng)時(shí)鐘f C 的每一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)

7、,控制字K 與相位累加器內(nèi)容進(jìn)行模2N 加,得到N 位正弦波相位值。再將N 位的相位碼截去低B 位,用高M(jìn) 位(M =N -B 作為地址對(duì)ROM 尋址,輸出S 位的正弦波的幅度值,形成數(shù)字化的正弦波。數(shù)字化正弦波通過DAC 后,輸出模擬的階梯化的正弦波。階梯波經(jīng)過低通濾波器平滑后,生成模擬正弦波 。47現(xiàn)代機(jī)械2006年第4期合成時(shí)改變相位增量, 由于相位增量不同,一個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)也不同,這樣產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率也就不同,從而達(dá)到頻率合成的效果。雖然正弦波信號(hào)本身是非線性的,但其相位是線性的。從上面的工作過程看出,經(jīng)過采樣和量化的正弦波幅度值,在頻率控制字K 和系統(tǒng)時(shí)鐘f C 的的共同控制下

8、,復(fù)原輸出頻率f o 的正弦波,它們之間滿足下列關(guān)系:f 0=K2NfC(1輸出頻率最小頻率即分辨率:f min =12N f C (2直接數(shù)字頻率合成具有高分辨率、超高速的頻率改變速率、低相噪的優(yōu)點(diǎn),為超高速頻率合成器的實(shí)現(xiàn)提供可能。但DDS 技術(shù)仍然有它的缺點(diǎn):輸出頻率低和輸出雜散大。依據(jù)采樣定理,DDS 輸出頻率低于系統(tǒng)時(shí)鐘f C 的1/2,實(shí)際應(yīng)用中一般只能達(dá)到40%f C 。因受到DDS 器件的速度限制,DDS 輸出頻率上限有待提高。散雜來源主要有三個(gè):相位累加器相位舍位誤差造成的雜散;幅度量化誤差(由存儲(chǔ)器有限字長(zhǎng)引起造成的雜散和DAC 非理想特性造成的雜散。3設(shè)計(jì)方案3.1波形發(fā)

9、生器的主要技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)波輸出:正弦波、方波、三角波。任意波輸出:1×4096點(diǎn)(抽樣輸出頻率范圍:0.110M Hz 頻率分辨率:0.1Hz 輸出信號(hào)電壓:5V p -p相位噪聲:-90dB/Hz3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由單片機(jī)部分、DDS 主通道部分、鍵盤及顯示部分以及輸出信號(hào)調(diào)理等部分組成。同時(shí)片外還擴(kuò)展了1片4k 程序存儲(chǔ)器SRAM 和6K 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ROM ,分別用來存放所需波形抽樣數(shù)據(jù)和三種標(biāo)準(zhǔn)輸出波形抽樣數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示,把DDS 原理用FP GA 來實(shí)現(xiàn),并用單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任意波形的產(chǎn)生。但波形存儲(chǔ)器不用ROM 而是用SRAM ,這樣做是為了讓本

10、設(shè)計(jì)系統(tǒng)能產(chǎn)生任意信號(hào)的波形,而波形的抽樣數(shù)據(jù)不是直接存放在SRAM 里,而是存放在擴(kuò)展的ROM 里,SRAM 作為一個(gè)波形抽樣數(shù)據(jù)的公共存儲(chǔ)器。當(dāng)要產(chǎn)生某種波形時(shí),輸入相應(yīng)的控制信息,系統(tǒng)將抽樣數(shù)據(jù)從ROM 里加載到SRAM 里,以供FP GA 工作時(shí)尋址查表使用 。DDS 主通道部分是我們?cè)O(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,該部分主要由相位累加模塊、地址總線控制模塊、數(shù)據(jù)總線控制模塊與波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM 等組成。其中相位累加模塊、地址總線控制模塊和數(shù)據(jù)總線控制模塊都是在FP GA 上實(shí)現(xiàn),采用的芯片是AL TERA 公司的FL EX10K 系列器件。我們將所需要合成的波形采樣數(shù)據(jù)固化在ROM 中,但是我們

11、知道ROM 的讀周期比較長(zhǎng),很難滿足系統(tǒng)的訪問時(shí)間要求。因此設(shè)計(jì)中又使用了1片HSRAM ,在DDS 系統(tǒng)合成波形的過程中,代替ROM 進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的快速查詢。鍵盤和顯示部分是系統(tǒng)和用戶進(jìn)行交互的重要手段。這部分的功能是單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的。輸出信號(hào)調(diào)理部分是把從HSRAM 中讀出的波形的數(shù)字幅度值首先轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),然后再進(jìn)行放大、濾波處理后輸出。這一部份包括D/A 轉(zhuǎn)換器、幅度放大器和濾波器。DAC 器件采用AD 公司的12位AD9713B ,該器件特點(diǎn)是具有較高的更新速率(100MSPS 和較低的功耗(725mW ,因此特別適合于DDS 信號(hào)合成。幅度調(diào)節(jié)電路使用的是雙極性放大器AD708、

12、AD9617和AD9713所組成的電路。采用32位輸入控制字,高29位作為頻率控制字和相位累加器的輸入,低三位作為系統(tǒng)的其他控制位,而RAM 尋址被截?cái)喑?2位。由式(1可知,要確定信號(hào)的輸出頻率只要確定了N ,K (即Phase 和f c 三個(gè)參數(shù)即可。假設(shè)固定f c ,對(duì)K 進(jìn)行變化,由奈奎斯特定理可知輸出頻率可以達(dá)到晶振頻率的一半,但為了保證其保真度,要求對(duì)波形進(jìn)行至少4個(gè)點(diǎn)的取樣,因此我們要用40M 的參考時(shí)鐘,此時(shí)輸出的最高頻率為10M Hz 。由(2式可知,輸出的最低頻率即頻率分辨率為0.074505805Hz <0.1Hz 。從上述分析可知,波形存儲(chǔ)器RAM 中存儲(chǔ)波形幅值

13、的數(shù)據(jù)越多,輸出的波形越逼近實(shí)際波形,所以在設(shè)計(jì)時(shí)采用4k ×8b 大小的RAM ,即是說我們可以對(duì)任意波形進(jìn)行4096個(gè)點(diǎn)抽樣,這樣本設(shè)計(jì)就滿足了設(shè)計(jì)要求。3.3單片機(jī)的選取本系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是控制芯片采用A TM EL 公司的AVR 系列單片機(jī)A Tmega8,用于控制鍵盤、顯示和FP GA 的工作。AVR 單片機(jī)由于采用了精簡(jiǎn)指令集RISC 結(jié)構(gòu),工作在16M Hz 時(shí)能達(dá)到16MIPS ,因此具有高速運(yùn)行處理能力。同樣以12M Hz 的晶振為例,AVR 單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期為1/12s ,而普通51單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期則為1s 。因此,使用AVR 單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng),對(duì)于提高

14、整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速率和性能都是十分有利的。此外,在AVR 家族中,A T 2mega8是一種非常特殊的單片機(jī),它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路,具備AVR 高檔單片機(jī)M EGA 系列的全部性能和特點(diǎn),并且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性及靈活性方面都比A T90系列更加周全和完善3。并且支持在線編程(ISP 和在應(yīng)用程序(IAP 。由于采用了小引腳封裝(為DIP 28和TQFP/ML F32,不僅能夠有效減小硬件系統(tǒng)的體積,而且其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng),成為具有極高性價(jià)比的單片機(jī)。本系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是采用以高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言BASIC 為手段的AVR 單片機(jī)開發(fā)平臺(tái):BASCO

15、M -AVR 。它是MCS Electronics 公司推出的面向AVR 單片機(jī)系列,采用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言Windows BASIC 的軟件開發(fā)平臺(tái)。其特點(diǎn)主要有:程序語句和Microsoft VB/QB 高度兼容,為標(biāo)準(zhǔn)的L CD 顯示器,I2C 芯片和單總線協(xié)議芯片等擴(kuò)充了專用語句,內(nèi)置模擬終端和程序下載功能,內(nèi)置軟件仿真平臺(tái)用于測(cè)試,57計(jì)算機(jī)應(yīng)用具有完善的連機(jī)幫助功能和大量的例程。不僅控制靈活方便,而且學(xué)起來比較簡(jiǎn)單直觀4。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,它最大的特點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)鍵盤和L CD 的控制上。在BASCOM -AVR 中,已經(jīng)提供了一個(gè)讀4×4鍵盤的專用功能函數(shù)(GET K B

16、D ,利用這個(gè)函數(shù)我們就不必從底層編寫鍵盤掃描子程序了,只需調(diào)用該函數(shù),就能完成按鍵掃描和消抖處理的過程,返回一個(gè)按鍵的值,非常方便靈活。在L CD 的使用上,如果要先編寫底層的控制子程序,再編寫上層的應(yīng)用程序,需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。但是由于點(diǎn)陣字符液晶顯示器模塊在國際上已經(jīng)規(guī)范化,因此BASCOM 中提供了強(qiáng)大的L CD 應(yīng)用的功能語句,在L CD 的字符顯示、清屏,光標(biāo)的定位、顯示、閃爍等控制上都有專門的語句供調(diào)用,只要寫上幾條語句,需要顯示的信息就能在L CD 上顯示出來。3.4工作原理單片機(jī)系統(tǒng)上電自檢完畢后,根據(jù)鍵盤輸入?yún)?shù)確定信號(hào)波形,開始進(jìn)行所需波形抽樣數(shù)據(jù)加載過程,將波形一個(gè)周期

17、的抽樣點(diǎn)數(shù)據(jù)寫入SRAM 里,以供頻率合成使用。單片機(jī)將接收到的頻率值轉(zhuǎn)換成頻率控制字,送到相位累加器。相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行相位累加,然后將每次的累加和作為地址去尋址RAM ,讀出與該地址所對(duì)應(yīng)的波形幅度值,然后送到D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),最后經(jīng)幅度放大、濾波輸出。當(dāng)所需波形不是三種標(biāo)準(zhǔn)波形時(shí),可以通過在線編程產(chǎn)生所需波形的抽樣數(shù)據(jù) ,直接將抽樣數(shù)據(jù)存入SRAM ,以便頻率合成時(shí)使用,這樣就可以產(chǎn)生任意波形的信號(hào)。4DDS 通道的FPG A 實(shí)現(xiàn)這一部分是DDS 信號(hào)合成中的關(guān)鍵部分,由DDS 系統(tǒng)原理框圖可知,其主要是由相位累加器、地址總線控制器、數(shù)據(jù)總線控制器與SRAM 組

18、成。其中,除了SRAM 外,其余3個(gè)模塊都是在FP GA 上實(shí)現(xiàn)。相位累加器是整個(gè)DDS 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,它設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的功能如圖所示,它實(shí)質(zhì)上是1個(gè)帶反饋的29位加法器性能。把輸出數(shù)據(jù)作為另一路輸入數(shù)據(jù)和從微處理器送來的頻率控制字進(jìn)行連續(xù)相加,產(chǎn)生有規(guī)律的29位相位地址碼。設(shè)計(jì)中采用流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)29位加法器。雖然DDS 芯片使用比較方便,但它的ROM 里一般都只存有一種波形(正弦波,加上一些外圍電路也能用它產(chǎn)生少數(shù)幾種波形,但速度受到很大的限制,因此它使用不是很靈活,為了增加他的靈活性,采用了FP GA 實(shí)現(xiàn)DDS 技術(shù),把DDS 中的ROM 改用SRAM ,SRAM 作為

19、一個(gè)波形抽樣數(shù)據(jù)的公共存儲(chǔ)器。FP GA 的結(jié)構(gòu)框圖如圖3,整個(gè)設(shè)計(jì)過程可用FP GA 的開發(fā)軟件來實(shí)現(xiàn)和仿真,很容易實(shí)現(xiàn)的。5波形抽樣數(shù)據(jù)的產(chǎn)生因?yàn)槊糠N波形(確切的說是周期波形都對(duì)應(yīng)著一種數(shù)學(xué)模型,因此只要把我們所需波形的數(shù)學(xué)模型寫出來,用軟件實(shí)現(xiàn)抽樣數(shù)據(jù)的產(chǎn)生,并把數(shù)據(jù)放入ROM 。以便所需波形的抽樣數(shù)據(jù)加載到SRAM 里,為合成所需波形的頻率使用。6頻率控制字的計(jì)算設(shè)輸出信號(hào)的頻率為f o ,參考頻率為f C ,頻率控制字為K ,則三者的關(guān)系為:K =(f o ×229/f C因此當(dāng)輸入所需頻率時(shí),經(jīng)上式轉(zhuǎn)換成頻率控制字去驅(qū)動(dòng)FP GA 工作,從而產(chǎn)生我們所需波形的頻率。7結(jié)束語本系統(tǒng)設(shè)計(jì)把DDS 電路用FP GA 來實(shí)現(xiàn),并用A T 2mega8單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任意波形的產(chǎn)生。用這種方法設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器