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基于 FPGA 的 DDS 直接数字频率合成器设计与实现
赵翰林
（电子科技大学，四川 成都 610054）
【摘 要】直接数字频率合成器具有变频范围广、频率步进小、幅度和频率精度高、调谐方便等优点。对其进行了理论分
析，并采用 FPGA 技术实现了这样一个系统，该系统允许频率调谐、相位调谐，可以产生正弦、余弦信号，具有设计简单可靠、
调谐方便等优点。
【关键词】直接频率合成；可调谐；小步进；FPGA
【中图分类号】TN74 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)06-0025-03
（一）直接数字频率合成技术介绍
直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer）
是从相位的概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技
术。一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形
存储 ROM、D/A 转换器和低通滤波器（LPF）构成。DDS 的原理
框图如图 1 所示：
图 1 DDS 的原理框图
其中 K 为频率控制字、P 为相位控制字、f
c
为参考时钟频
率，N 为相位累加器的字长，D 为 ROM 数据位及 D/A 转换器的
字长。相位累加器在时钟 f
c
的控制下以步长 K 作累加，输出
的 N 位二进制码与相位控制字 P 相加后作为波形 ROM 的地址，
对波形 ROM 进行寻址，波形 ROM 输出 D 位的幅度码 S（n）进
D/A 转换器变成阶梯波 S（t），再经过低通滤波器平滑后就可
以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形 ROM
中存放的幅度码，因此用 DDS 可以产生任意波形。这里我们
将用 DDS 实现正弦波的合成，并通过 FPGA 芯片实现其硬件电
路。
笔者主要进行 DDS 软件方面的设计，所以以下原理与仿
真以软件方面为主。
1.频率预置与调节电路
K 被称为频率控制字，也加相位增量。DDS 方程为：f
0
=f
c
×K/2
N
，f
0
为输出频率，f
c
为时钟频率。当 K=1 时，DDS 输出
最低频率（也即频率分辨率）为 f
c
/2
N
，而 DDS 的最大输出频
率由 Nyquist 采样定理决定，即 f
c
/2，也就是说 K 的最大值
为2
N-1
。因此，只要 N 足够大，DDS 可以得到很细的频率间隔。
实际中 DDS 的最高输出频率由允许输出的杂散水平决定,一般
取值为 f
0
≤40% f
c
。要改变 DDS 的输出频率，只要改变频率
控制字K即可。
2.累加器（图 2）
图 2 累加器框图
相位累加器由 N 位加法器与寄存器级联构成。每来一个
时钟脉冲 f
c
，加法器将频率控制字 K 与寄存器输出累加相位
数据相加，再把相加后的结果送到寄存器的数据输入端。寄
存器将加法器在上一个时钟的作用后所产生的相位数据反馈
到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续
与频率控制字进行相加。这样，相位累加器在时钟的作用下，
进行相位累加。当累加器累加满量时就会产生一次溢出，完
成一个周期性动作。
3.控制相位的加法器
通过改变相位控制字 P 可以控制输出信号的相位参数。
令相位加法器的字长为 N，当相位控制字由 0 跃变到 P（P≠0）
时，波形存储器的输入为相位累加器的输出与相位控制字 P
之和，因而其输出的幅度编码相位会增加 P/2
N
，从而使最后
输出的信号产生相移。
4.波形存储
用相位累加器输出的数据作为波形存储器的取样地址，
进行波形的相位—幅值转换，即可在给定的时间上确定输出
的波形的抽样幅值。N 位的寻址 ROM有D位数据，则 2N 个样
值的幅值以 D 位二进制数值固话在 ROM 中，按照地址的不同
可以输出相应的相位的正弦信号幅值。
相位—幅度变换原理图如图 3 所示：
图 3 相位—幅度变换原理图
5.D/A 转换器
D/A 转换器的作用是把合成的正弦波数字量转换成模拟
量。正弦幅度量化序列 S（n）经 D/A 转换后变成了包络为正
2010 年第 6 期 大 众 科 技 No.6，2010
（总第 130 期） DA ZHONG KE JI (Cumulatively No.130)
【收稿日期】2010-03-20
【作者简介】赵翰林，男，四川广安人，电子科技大学在读硕士生，研究方向为电路与系统。
