EDA/PLD中的基于CycloneII系列FPGA的DDFS信号源实现
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2020-11-09
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EDA/PLD中的基于中的基于CycloneII系列系列FPGA的的DDFS信号源实现信号源实现
0 引言 在电子信息领域，函数发生器(信号源)是通用的设备。近年来电子信息技术的飞速发展，使得各领域
对信号源的要求在不断提高。不但要求其频率稳定度和准确度高，要求频率改变的方便性，而且还要求可以产
生任意波形，输出不同幅度的信号等。而实现频率合成方法有许多种，但基本上可以归纳为直接频率合成和间
接频率合成两大类方法。采用传统的频率合成技术要实现上述要求，几乎是不可能的。DDFS技术是自21世纪
70年代出现的一种新型的直接频率合成技术。DDFS技术是在信号的采样定理的基础上提出来的，从“相位”的概
念出发，进行频率合成，不但可利用晶体振荡的高频率稳定度、高准确度，且频率改变方便，转换速度快，便
于
0 引言
在电子信息领域，函数发生器(信号源)是通用的设备。近年来电子信息技术的飞速发展，使得各领域对信号源的要求在不
断提高。不但要求其频率稳定度和准确度高，要求频率改变的方便性，而且还要求可以产生任意波形，输出不同幅度的信号
等。而实现频率合成方法有许多种，但基本上可以归纳为直接频率合成和间接频率合成两大类方法。采用传统的频率合成技术
要实现上述要求，几乎是不可能的。DDFS技术是自21世纪70年代出现的一种新型的直接频率合成技术。DDFS技术是在信号
的采样定理的基础上提出来的，从“相位”的概念出发，进行频率合成，不但可利用晶体振荡的高频率稳定度、高准确度，且频
率改变方便，转换速度快，便于产生任意波形等，因此，DDFS技术是目前高精密度信号源的核心技术。目前已有专用的
DDFS芯片，如美国AD公司的AD9850等可用于DDS信号源的开发，但其成本较高。本设计将采用DDFS技术，在FPGA上进
行信号源的设计，其成本大大降低，且设计灵活方便，易于各种功能的扩展等。
1 DDFS技术原理
DDFS技术的原理：将对正弦等各种信号的采样量化数据存入ROM存储器中，在时钟的控制下，依次或隔一定步进读取
ROM中的数据，再通过D／A转换芯片及后级的低通滤波器来实现频率合成的一种方法。其原理框图如图1所示。其主要的组
成部分包括：相位累加器(也可理解为ROM存储单元的读地址发生单元)、正弦信号采样量化数据存储ROM表、D／A转换及低
通滤波器。
DDFS参数计算：DDFS的主要参数包括正弦信号的采样点数，最高输出频率fomax，最低输出频率fomax及频率分辨率
△fo等。根据DDFS原理可知，在时钟控制下将所有ROM存储数据依次读出，则输出的信号周期最长Tomax=NTc，即输出频
率最低为fomax；只读出两个点(∏／2和3∏／2)的采样数据，则输出的信号周期最短Tomin=2Tc，即输出频率最高为fomax。
其中Tc为时钟周期。相应计算如下。
(1)输出信号频率通式：fo=Sfc／2n，其中2n为采样点个数N，故可知n为采样后ROM的地址位数；其中S为步进长度，即
每S个地址取一个采样点；
(2)输出最低频率
(3)输出最高频率 虽然根据奈奎斯特采样定理，一个周期采样两个点即可
保证信号的频谱信息不丢失，但为了输出信号滤波后失真较小，一个周期至少采样8个点；故可知S的取值范围应该为1～2n-
3；
(4)频率分辨率△fo：△fo=fc／2n，与最低频率一致。
2 DDFS的FPGA实现的参数计算
本设计充分利用CycloneII系列FPGA芯片EP2C35的片上资源来实现一个基于DDFS的正弦信号源。由于此芯片的片上可
用ROM单元为483，840位二进制，因此，片上ROM资源只能够存储215(32768)个8位二进制采样点的数据。
(1)ROM资源优化：由于是正弦信号，因此只要采样其(0，n／2)区间上的函数值，即可根据其周期性及对称性，求出其他
区间上的相应的函数值。故，虽然片上资源只能存储215(32768)个8位二进制数据，但利用正弦信号的对称性，可实现217点
采样。由于正弦信号在(n～2n)间为负值，因此输出函数值时，需要进行补码转换；
(2)地址位长度：ROM的寻址地址为15位二进制数；
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