基于FPGA+DDS的正弦信号发生器的设计

可编程的FPGA器件具有内部资源丰富、处理速度快、可在系统内编程并有强大的EDA设计软件支持等特点。因此，基于FPGA的设计相对于专用DDS芯片，可使电路设计更加灵活、提高系统的可靠性、缩短设计周期、降低成本。所以，采用FPGA设计的DDS系统具有很高的性价比。 基于FPGA+DDS的正弦信号发生器设计是一种利用可编程逻辑器件FPGA（Field-Programmable Gate Array）和直接数字频率合成技术（Direct Digital Synthesis，简称DDS）生成精确、灵活的正弦波信号的方法。FPGA因其丰富的内部资源、高速处理能力、在系统编程能力和强大的电子设计自动化（EDA）工具支持而被广泛应用。相较于专用的DDS芯片，FPGA方案能提供更灵活的电路设计，增强系统的可靠性，缩短设计周期，并降低整体成本，从而提高了DDS系统的性价比。 DDS的工作原理基于数控振荡器，它能够产生频率和相位可控的正弦波。DDS主要包含以下几个关键组成部分：基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器以及低通滤波器。频率累加器接收输入信号，对其进行累加运算，产生频率控制数据。相位累加器通常由全加器和累加寄存器组成，对频率的二进制表示进行累加，形成反馈电路。幅度/相位转换电路实质上是一个波形存储器，根据地址输出对应的波形数据。D/A转换器和低通滤波器将这些数据转换为所需的模拟信号。 DDS的信号生成过程如下：频率控制数据与相位累加器的输出在基准时钟的控制下相加，结果送回相加器输入端。同时，该结果作为地址读取幅度/相位转换电路中的波形数据，经过D/A转换器和低通滤波器生成模拟正弦波。DDS的输出频率取决于频率控制字、相位累加器位宽和基准时钟的频率。例如，如果基准时钟为70 MHz，16位相位累加器，频率控制字为4096，输出频率将是4.375 MHz。频率分辨率则由相位累加器位数决定，位数越多，分辨率越高。 正弦信号发生器的系统结构设计通常包括单片机控制模块和FPGA处理模块。单片机负责数据输入和显示，通过键盘接收频率控制字，并通过串行口输出到LED显示器。FPGA模块作为系统核心，其内部包含DDS的基本结构，包括相位累加器和波形存储器等。相位累加器在每个时钟周期内对频率控制字进行累加，累加器的输出作为查表地址，查找幅度/相位转换电路中的相应波形数据，最终通过D/A转换器生成模拟正弦波。 在实际实现中，FPGA处理模块需要考虑频率范围、步进值以及相位累加器的宽度。例如，为了得到1 kHz到10 MHz的输出频率范围和100 Hz的步进值，相位累加器的位宽和波形表的大小需要适当设定。低通滤波器确保输出信号的频谱纯净，产生高质量的正弦波形。 总结来说，基于FPGA+DDS的正弦信号发生器设计充分利用了FPGA的灵活性和DDS的精度，实现了高效、经济的正弦波生成方案，广泛应用于网络通信和其他需要精确信号源的领域。通过精确控制频率控制字、相位累加器位宽和基准时钟频率，可以生成任意所需频率的正弦波，满足不同应用需求。