２ｏ１１年８月 繁８期 电子测试 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥＳＴ Ａｕｇ．２０１１ Ｎｏ．８ 基于ＤＤＳ的正弦波信号发生器的设计★ 崔唯佳，高磊，陈晓军 （中北大学信息探测与处理技术研究所，山西太原０３００５１） 摘要：在频率合成领域中，直接数字合成（ＤＤＳ）是近年来新的技术，它是从相位概念出发直接合成所需波形的 一种新的全数字技术的频率合成方法。本文研究基于直接数字合成（ＤＤＳ）技术的任意波形发生器（ＡＷＧ）系统设 计。以ＤＤＳ技术为核心，采用ＦＰＧＡ芯片作为系统的硬件实现平台，利用ＶＨＤＬ语言编程实现正弦波的标准波 形。结构紧凑，电路简单，输出波形稳定性好，系统可扩展性强。使用数字信号，克服了模拟信号冗余量大不易 处理的缺陷，操作实践表明该系统能可靠运行。 关键词：ＤＤＳ；ＦＰＧＡ；正弦波信号发生器 中图分类号：ＴＮ９２５＋．９ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ Ｃｕｉ Ｗｅｉｊｉａ，Ｇａｏ Ｌｅｉ，Ｃｈｅｎ Ｘｉａ￣ｕｎ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＳｉｇｎａｌ Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ，ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（ＤＤＳ）ｉｓ ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ， ｉｔ ｉｓ ｆｒｏｍ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｆｙｎｔｈｅｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｗａｖｅｆｏｒｒｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ（ＤＤＳ） ｔｅｃｈｎｏ ｌｏｇｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄ ｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅ ｔａｉ．１ Ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａ ｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏ ｒｍａｎｃｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｄｏｐｔｓ ｄｉｒｅｃｔ ｄ ｉｇ ｉｔｌ ｆａｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｏｒ ＤＤＳ ａｓ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ，Ａｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｃｈｉｐ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｕｓｉｎｇ ＶＨＤＬ ｌａｎｇｕａｇｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ．Ｔｈ ｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏ ｆ ｃｏｍｐａｃｔｍｏｄｕｌｅ，ｓｉｍｐ ｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ．Ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍ ｉｎｇ ｓ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｓｉｇｎａｌ ｔｈａｔ ｉｓ，ａｎａｌｏｇ ｓｉｇｎａｌ ｈａｖｅ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ａｎｄ ａｒｅ ｎｏｔ ｅａｓｙ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｒｕｎ ｒｅｌｉａｂ ｌｙ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＤＳ；ＦＰＧＡ；Ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ０引言 随着科学技术的发展，普通的性能单一的波形发生器 已经越来越不能满足实际的需求，要想实现性能复杂、波 形多样的发生器，频率合成技术是一种较好的实现方法。 频率合成技术分为直接数字频率合成技术（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉ￣ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，简称ＤＤＳ或ＤＤＦＳ）、间接频率合成技术、 直接模拟频率合成技术。基于ＤＤＳ的任意波形发生器对硬 件要求低，频率切换速度快，很容易提高其频率分辨率和 改变其频率范围。本文采用基于ＤＤＳ技术结构构造正弦波 形发生器，充分利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理 能力和外设的替代性，实现频率、幅值可调的函数波形输出， 同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相 和调幅功能，具有很好的实用性。 ★基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０５３２０８０ ｏ ２ｏ＂．８ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ １基本理论 ＤＤＳ的工作原理：ＤＤＳ是以相位累加器为核心的，它 由一个Ｎ位字长的二进制加法器和一个Ｎ位寄存器组成， ２．３软件设计 系统软件设计采用模块化思想，可移植性、可读性强。 ＤＤＳ算法利用循环溢出的相位累加器产生正弦函数的相位 变量。相位累加器每溢出一次，就代表正弦波形的一个周 期。相位累加器输入的频率控制字控制生成的正弦波形的 作用是对频率转换字（ｗ）进行线Ｉ生累加；正弦查找表中所 ．对应的是一张函数波形查寻表，对应不同的相位码址输出 不同的幅度编码。相位累加器累加输出的序列对查找表寻 频率，累加器的瞬时相位输出作为ＲＯＭ表的地址。ＲＯＭ 表是存有正弦采样值的存储器。系统流程图如图３所示。 址，得到一系列离散的幅度编码。该幅度编码经Ｄ／Ａ转换 后得到对应的阶梯波，最后经低通滤波器平滑后可得到所 需的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下，进行线 性相位累加，当相位累加器加满时就会产生一次溢出，这样 就完成了—个周期，这个周期也就是ＤＤＳ的信号的一个频 率周期。输出频率 为： ｆｏ＝ ｆｊ２ ２设计思想 ２．１系统原理框图 ＤＤＳ以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正 弦波，主要由基准时钟ｆｓ、相位累计器、幅度，相位转换电路、 正弦查找表、Ｄ／Ａ转换器组成。如图ｌ所示，它采用数字 技术重复扫正弦查找表来获取数据，构筑处所希望的波形。 图１系统原理框图 ２．２硬件结构图 硬件结构总体方案是通过电源芯片对ＦＰＧＡ供电，由 ＪＴＡＧ接口作为程序下载口，最后由示波器观察波形，如图 ２所示。 图２硬件结构图 图３系统流程图 ２．３．１地址累加器模块设计 地址累加器的作用是将频率转换字输出的频率控制 字进行逐步累加，并把结果送到查找表中进行寻址。部分 Ｖ［－－￣Ｌ源代码如下： ＩＦ ｒｉｄｓ＿ａｄｄ＜６５５３５ ＴＨＥＮ ｄｄｓ＿ａｄｄ≤ｄｄｓ＿ａｄｄ＋ｄｄｓ＿ｍ； ＥＬＳＥ ｄｄｓ＿ａｄｄ≤０： ＥＮＤＩＦ； ２，３２正弦查找表进程 正弦查找表：表中所对应的是一张函数波形查寻表， 对应不同的相位码址输出不同的幅度编码。相位累加器累 加输出的序列对查找表寻址，得到一系列离散的幅度编码。 该幅度编码经Ｄ／Ａ转换后得到对应的阶梯波，最后经低通 滤波器平滑后可得到所需的模拟波形。部分ＶＨＤＬ语言如 下（查找表数据过多，只罗列一部分数据）： 设计与研发 ２ｏ＇１８ ．正弦函数表 ＷＨＥＮ０≥ｄａ ｄａｔ≤１２７； ⅥｒＨＥＮ １≥ｄａ ｄａｔ≤１３３； Ｗ眦Ｎ２≥ｄａ ｄａｔ≤１３９； Ⅵ，ＨＥＮ３≥ｄａ ｄａｔ≤１４５； ４结束语 本文论述的基于ＤＤＳ技术的正弦信号生成系统简单 易行，具有很强的实用性，通过ＶＨＤＬ语言编写程序完成 各个模块的产生，进而完成整个系统，为相关领域提供了 ＷＨＥＮ４≥ｄａ ｄａｔ≤１５１； 较好的模型和方法，具有很强的实际使用价值。 Ⅵ 正ＮＳ≥ｄａ ｄａｔ≤１５７； ⅥｒＨＥＮ６≥ｄａ ｄａｔ≤ｌ６３： Ⅵ 匣Ｎ７≥ｄａ ｄａｔ≤１６９； 参考文献 Ⅵ 匣Ｎ８≥ｄａ ｄａｔ≤１７５； Ⅵ 正Ｎ９≥ｄａ＿ｄａｔ≤１８１； 【ｌ】李晓芳，常春波，高文华．基于ＦＰＧＡ的ＤＤＳ算法 Ⅵ 匠Ｎ ｌ０≥ｄａ ｄａｔ≤ｌ８６： 的优化【Ｊ】．仪器仪表学报，２００９（ｚ１）：８９６—８９８． Ⅵ ＨＥＮ】ｌ≥ｄａ ｄａｔ≤１９２： ｒ｝ｌＥＮ １２≥ｄａ ｄａｔ≤１９７； 【２】傅文斌．遥控遥测系统［Ｍ］．北京：机械工业出版 、＾，｝ｆＥＮ ｌ３≥ｄａ ｄａｔ≤２０２； 社，２００７：２１０—２１２． Ⅵ，｝ＩＥＮ ｌ４≥ｄａ ｄａｔ≤２０７； 【３】曾繁泰，陈美金．ＶＨＤＬ程序设计【Ｍ】．北京：清华大 Ⅵ 匝Ｎ ｌ５≥ｄａ ｄａｔ≤２１２； 学出版社，２００７：５—２２． Ⅵ ＿ＥＮ ｌ６≥ｄａ ｄａｔ≤２１６； 【４】邬杨波，王曙光，胡建平．有限状态机的ＶＨＤＬ设计 ３实验结果 及优化［Ｊ】．信息技术，２００８，２８（１）：７５—７８． 【５】张力军．数字通信简介［Ｊ］＿电子工业大学学 根据以上设计，可得出正弦波信号发生器的仿真图， 报，２００３：５５２—５５２． 如图４所示。正弦波模拟信号波形图，如图５所示。由此 【６】夏宇闻．Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ数字系统设计教程【Ｍ】．北京： 可知实验方案满足要求。 北京航空航天大学出版，２００９． ｌｃ１１ ｌ Ｊ【７］ Ｗｉｌｌｉａｍ，Ｓａｎｄｏｖａ１．Ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ［ＤＢ／ＯＬ】． ｄｋ Ｉ 【２００５—０９—２３】． ｉ山 １ ：［８］林静宜．基于ＤＤＳ的多模式信号发生器的设计与实 ３０砷 ｌ 现［Ｄ】．武汉：华中科技大学，２００８． 图４仿真图 作者简介： 崔唯佳，硕士研究生，主要研究领域为 通信与信息系统。 Ｅ－ｍａｉｌ：２５２８９６３９４＠ｑｑ．ｃｏｍ 图５正弦波