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摘要: 正弦波、三角波、矩形波等信号在电子技术方面有着广泛的应用,在通信、电子、医疗等一些特殊场合对这些信号要求比较严格,传统的方法较难实现宽频高分辨率,DDS(直接数字频率合成)技术为此提供一种很好的解决方案。因此,在此讲解DDS基本原理,并通过VHDL编程,采用Quartus II软件仿真通过后,下载到FPGA芯片上进行硬件实现。
关键词: 直接数字频率合成;超高速集成电路硬件描述语言;现场可编程门阵列;典型信号
中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0310073-01
直接数字频率合成(DDS)技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。DDS在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平,为系统提供了优于模拟信号源的性能。在通信、电子、医疗等方面得到了广泛的应用。
1 DDS基本原理
DDS的基本结构如图1包括:相位累加器、相位寄存器、正弦查询表ROM、数模转换器(DAC)以及低通滤波器(LPF)、系统时钟等[1]。
图1DDS基本结构
DDS技术的核心是相位累加器,相位累加器在稳定时钟信号的控制下产生读取数据的地址值,随后通过查表变换,地址值被转化为信号波形的数字幅度序列,再由数/模变换器(D/A)将代表波形幅度的数字序列转化为模拟电压,最后经由低通滤波器将D/A输出的阶梯状波形平滑为所需的连
来实现。② 从离散量化的相位序列产生对应的正弦信号的离散幅度序列。把量化的数字波形经数模(D/A)转换,再通过低通滤波器LPF就得到频率为 的信号。
2 编程设计
根据以上的理论分析,软件设计顶层模块如图2所示:
图2软件设计顶层模块
图中的PLL模块是锁相环,输入信号频率为50MHz,输出信号频率为125MHz占空比为50%的方波。KEY模块是按键输入模块,共七个键,其中一个键控制波形变换选择,六个键控制频率字,输出通过七段数码管显示。在本设计中,共设计了五种波形,分别正弦波、占空比80%的矩形波、三角波、阶梯波、锯齿波,频率字的改变范围为0～16777215,频率字每加1,输出频率将改变7.45Hz左右。DDS模块为通过DDS技术实现波形的产生以及波形的选择,是整个设计的核心部分。在本设计中每种波形的ROM表取样点数为8192个点,位深为10位,便于与后续的10位高速DA芯片进行连接,然后通过一个低通滤波器实现波形的输出。
ROM表的设计可以通过C/C++编程获得,利用Quartus II软件的Memory Initialization file建立宏单元,参照mif文件格式,用程序生成一个mif文件[4]。
3 仿真及FPGA下载实现
对于核心程序DDS进行仿真,仿真如图3所示。
图3DDS仿真图
仿真结果与预期一致。然后选择Cyclone II EP2C35F672C8芯片,设置好电路的芯片引脚,将软件生成的dds_lzl.sof文件下载到FPGA芯片Cyclone II EP2C35F672C8上,完成器件编程[5]。然后搭建外围硬件电路,实现硬件模块连接。通过按钮开关来改变频率字,经过高速DA转换器转换后,用示波器观察实际结果。经测试表明,电路实际工作时的结果与仿真结果完全一致,达到了设计要求。本设计可以应用于电子、通信、医疗等专业领域。
参考文献:
[1]王建明,基于DDS技术的多波形信号源设计[D].南京:南京理工大学,2005.6.
[2]丁玉美、高西全,数字信号处理(第二版)》[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.1.
[3]蓝大、张金林,直接数字频率合成器DDS的优化设计,电子技术应用,2007.33.
[4]Altera Corporation.Quartus II Version6.0 Handbook.QII5v1-6.0,2006.
[5]Altera Corporation.Cyclone II Device Handbook(All sections).CII51-2.3,2005.
作者简介:
刘泽良(1980-),男,湖北大悟人,讲师,硕士,主要从事EDA技术、信号信息处理研究和教学;金泽(1977-),男,湖北鄂州人,通信工程师,主要从事通信信号处理方面研究。
关键词: 直接数字频率合成;超高速集成电路硬件描述语言;现场可编程门阵列;典型信号
中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0310073-01
直接数字频率合成(DDS)技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。DDS在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平,为系统提供了优于模拟信号源的性能。在通信、电子、医疗等方面得到了广泛的应用。
1 DDS基本原理
DDS的基本结构如图1包括:相位累加器、相位寄存器、正弦查询表ROM、数模转换器(DAC)以及低通滤波器(LPF)、系统时钟等[1]。
图1DDS基本结构
DDS技术的核心是相位累加器,相位累加器在稳定时钟信号的控制下产生读取数据的地址值,随后通过查表变换,地址值被转化为信号波形的数字幅度序列,再由数/模变换器(D/A)将代表波形幅度的数字序列转化为模拟电压,最后经由低通滤波器将D/A输出的阶梯状波形平滑为所需的连
来实现。② 从离散量化的相位序列产生对应的正弦信号的离散幅度序列。把量化的数字波形经数模(D/A)转换,再通过低通滤波器LPF就得到频率为 的信号。
2 编程设计
根据以上的理论分析,软件设计顶层模块如图2所示:
图2软件设计顶层模块
图中的PLL模块是锁相环,输入信号频率为50MHz,输出信号频率为125MHz占空比为50%的方波。KEY模块是按键输入模块,共七个键,其中一个键控制波形变换选择,六个键控制频率字,输出通过七段数码管显示。在本设计中,共设计了五种波形,分别正弦波、占空比80%的矩形波、三角波、阶梯波、锯齿波,频率字的改变范围为0～16777215,频率字每加1,输出频率将改变7.45Hz左右。DDS模块为通过DDS技术实现波形的产生以及波形的选择,是整个设计的核心部分。在本设计中每种波形的ROM表取样点数为8192个点,位深为10位,便于与后续的10位高速DA芯片进行连接,然后通过一个低通滤波器实现波形的输出。
ROM表的设计可以通过C/C++编程获得,利用Quartus II软件的Memory Initialization file建立宏单元,参照mif文件格式,用程序生成一个mif文件[4]。
3 仿真及FPGA下载实现
对于核心程序DDS进行仿真,仿真如图3所示。
图3DDS仿真图
仿真结果与预期一致。然后选择Cyclone II EP2C35F672C8芯片,设置好电路的芯片引脚,将软件生成的dds_lzl.sof文件下载到FPGA芯片Cyclone II EP2C35F672C8上,完成器件编程[5]。然后搭建外围硬件电路,实现硬件模块连接。通过按钮开关来改变频率字,经过高速DA转换器转换后,用示波器观察实际结果。经测试表明,电路实际工作时的结果与仿真结果完全一致,达到了设计要求。本设计可以应用于电子、通信、医疗等专业领域。
参考文献:
[1]王建明,基于DDS技术的多波形信号源设计[D].南京:南京理工大学,2005.6.
[2]丁玉美、高西全,数字信号处理(第二版)》[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.1.
[3]蓝大、张金林,直接数字频率合成器DDS的优化设计,电子技术应用,2007.33.
[4]Altera Corporation.Quartus II Version6.0 Handbook.QII5v1-6.0,2006.
[5]Altera Corporation.Cyclone II Device Handbook(All sections).CII51-2.3,2005.
作者简介:
刘泽良(1980-),男,湖北大悟人,讲师,硕士,主要从事EDA技术、信号信息处理研究和教学;金泽(1977-),男,湖北鄂州人,通信工程师,主要从事通信信号处理方面研究。