基于FPGA的數(shù)字頻率合成器設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了產(chǎn)生穩(wěn)定激勵信號的目的，采用Verilog硬件語言在FPGA上實現(xiàn)了數(shù)字頻率合成器的設(shè)計，該設(shè)計包括累加器、波形存儲器、AD轉(zhuǎn)換、低通濾波器等；對累加器、波形存儲器都進行了仿真，并下載到FPGA中，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，濾波，獲得了穩(wěn)定的正弦激勵信號。本設(shè)計只實現(xiàn)了正弦信號設(shè)計，通過對波形存儲器數(shù)據(jù)改變，可以實現(xiàn)任意波形的輸出。
關(guān)鍵詞：FPGA；數(shù)字頻率合成器；信號發(fā)生器；VerilogHDL

數(shù)字頻率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)是一種數(shù)字控制的鎖相倍頻器。其輸出頻率是基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍，通過頻率選擇開關(guān)改變分頻比來控制壓控振蕩器的輸出信號頻率。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點，是實現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個關(guān)鍵技術(shù)，廣泛使用在通信與電子儀器領(lǐng)域。

1 DDS基本原理
DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波。電路一般包括基準(zhǔn)時鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度／相位轉(zhuǎn)換電路、D／A轉(zhuǎn)換器和LPF(Low Phase Filter，低通濾波器)。

DDS的具體工作過程如圖1所示。N位相位累加器由N位加法器和N位累加寄存器組成。每來一個時鐘脈沖，N位加法器將頻率控制字K與N位累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，并把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將上一時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，使加法器在下一時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制字K相加；另一方面將這個值作為取樣地址，送入幅度／相位轉(zhuǎn)換電路，使其輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。最后經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器和LPF將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬波形。
相位累加器在基準(zhǔn)時鐘的作用下，進行線性相位累加，當(dāng)N位相位累加器累加Ⅳ次后就會產(chǎn)生一次溢出，這樣就完成了一個周期，這個周期也就是DDS信號的頻率周期。
DDS模塊的輸出頻率fout是系統(tǒng)工作頻率fclk，相位累加器比特數(shù)N及頻率控制字K三者函數(shù)，其數(shù)學(xué)關(guān)系由式(1)給出：

其頻率分比率為K／2N。

2 系統(tǒng)設(shè)計
2．1 相位累加器的設(shè)計
相位累加器是典型的反饋電路，由N位全加器和N位累加寄存器級聯(lián)而成，對代表頻率的二進制碼進行累加運算。相位累加器的位數(shù)N=32?？梢赃_(dá)到較高頻率分辨率。該模塊通過Verilog語言編寫。仿真電路如圖2所示。