基于FPGA的實驗室可重構信號源的設計

摘要 介紹了以直接頻率合成技術DDS為基礎的信號發生器基本工作原理及設計過程，并以單片機和FPGA為核心實現了波形、頻率、幅值均可調節的信號發生器設計。經測試驗證，該信號發生器取得了理想的結果，達到了設計要求。
關鍵詞 單片機；FPGA；DDS；信號發生器

1 直接數字頻率合成技術
直接數字頻率合成技術(DDS)是近年來迅速發展的一種新型頻率合成方法，它將先進的數字處理理論與方法引入信號合成領域，通過控制相位變化的速度來直接產生各種不同頻率的信號。DDS的基本原理如圖1所示，把一個單位振幅的正弦函數的相位在2π弧度內分成2N個點，求出相應各點的正弦函數值，并用D位二進制數表示，寫入ROM中構成一個所謂的正弦表。在高速穩定的參考時鐘控制下依次讀出每個相位對應的正弦函數值，即得到采樣的正弦離散信號，經D／A轉換得到需要的模擬信號，改變輸入時鐘頻率即可控制輸出信號的頻率。

根據DDS的原理分析可知，DDS輸出波形頻率為fo=Kfc／2N。最低輸出頻率(K=1)fmin=fc／2N，最高輸出頻率為fmax=fc／4，其中，fc為累加時鐘頻率；K為頻率控制字；N為累加器位數。

2 系統整體方案設計
系統設計主要由主控制器模塊、FPGA模塊、D／A轉換模塊、濾波模塊、調幅模塊、按鍵輸入模塊、功率放大模塊及液晶顯示模塊構成。系統框圖如圖2所示。采用STC89C51單片機作為系統的主控制器；FPGA模塊實現波形數據的存儲與輸出；D／A轉換模塊將波形數據轉換為模擬量。液晶顯示器用于顯示波形、幅度、頻率等。

3 系統主要硬件電路設計
3．1 主控制器電路設計
主控制器采用AT89C51單片機，系統采用總線技術，這樣僅占用了單片機的少量接口和IO資源就可以組建起整個系統，使得硬件和軟件設計更方便，也利于擴展，具體電路如圖3所示。

3．2 DDS的FPGA實現電路設計
DDS系統包括相位增量寄存器、相位累加器、地址寄存器、波形存儲器、時鐘倍頻器及地址發生部分等模塊，內部所有模塊用Verilog語言編寫或調用QuartusⅡ中的已有lpm庫文件。系統頂層設計用原理圖的方式進行模塊間的連接，具體電路如圖4所示。當改變波形存儲器中波形數據時，也就改變了輸出波形，可以通過波形選擇按鈕分別輸出正弦波、方波、三角波3種波形。