基于DDS原理的任意波形信号发生器的设计

1、文章编号:1002-6886(200604-0074-03基于DDS 原理的任意波形信号发生器的设计徐金龙,刘宇红,刘桥(贵州大学电子科学系,贵州贵阳550025作者简介:徐金龙,男,汉族,重庆市大足县人,在读研究生,研究方向:信息工程,控制与测量,信号处理。刘宇红,男,硕士生导师,副教授,主要从事信息工程、信号处理等领域的研究。刘桥,男,博士生导师,教授,主要从事电路与系统、微电子材料、IC 设计与应用等领域的研究。收稿日期:2005-12-9摘要:本文介绍了一种用AVR 系列单片机A Tmega8来控制FP GA 实现的DDS 电路,并用SRAM 取代ROM 的一种任意波形信号发生器的设计

2、。用FP GA 来实现DDS 电路和SRAM 是为了增加系统的灵活性,以便产生所需要的信号波形。关键词:DDS 任意波形信号发生器设计B ased on DDS Principle Free W ave 2form G enerator DesignXU Jin 2long ,Liu Yu 2H ong ,LIU Q iaoAbstract :This article introduced one way of control FP GA wit h AVR series monolit hic integrated circuit A Tmega8t he reali 2zation t h

3、e DDS electric circuit ,and substitutes for ROM wit h SRAM one kind of free wave -form generator design.Realizes the DDS electric circuit and SRAM wit h FP GA is for increase t he system t he flexibility ,in order to have the waveform which needs.K ey w ords :DDS ;free profile ;signal generating dev

4、ice ;design1引言直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Syn 2thesis 即DDFS ,一般简称DDS 是一种新的频率合成技术,同传统的直接频率合成(DS 、锁相环间接频率合成(PLL 方法相比,它具有很多优点:频率切换时间短、频率分辨率高、相应变化连续、容易实现对输出信号的多种调制等1。最近几年来,随着集成电路技术和器件水平的提高,国外一些公司先后推出各种各样的DDS 专用芯片,如Qualcomm 公司的Q2230、Q2334,AD 公司的AD9955、AD9850、AD9851、AD9852等2。这些产品的问世,为电路设计者提供了良机,满足了工

5、程实际的需要。然而,商用DDS 专用电路芯片也有它的局限性,并不能满足所有要求。例如要产生一些特殊波形,利用现有的商用芯片就会遇到一些困难。由于近几年来可编程器件CPLD 、现场可编程门阵列FP GA 技术的迅速发展和广泛应用,使用可编程器件实现DDS 技术也越来越受到人们的关注。2DDS 基本原理直接数字频率合成是基于奈奎斯特抽样定理和数字波形合成原理,而发展起来的一种数字化的频率合成技术。根据该定理,对于1个周期的连续正弦波信号,可以沿着其相位轴方向,以等量的相位间隔对其进行相位/幅度采用,得到1个周期性的正弦信号的离散相位的幅度序列,并对模拟幅度进行量化,对量化后的幅度采用相应的二进制数

6、据进行编码。这样就可以把1个周期性的连续正弦信号转换成1系列离散的二进制序列,最后把它存储在只读存储器中,每个存储单元的地址就是相位取样地址,而存储单元的内容即是量化的正弦波的幅度值。这样的1个只读存储器构成1个与2周期内相位取样相对应的正弦函数查找表,由于其存储的是1个周期的正弦波波形的幅度值,所以又称其为正弦波波形存储器。一个完整的DDS 内部结构由位频率控制寄存器、模2N 加相位累加器、正弦“相位-幅度”转换表ROM 存贮器及数模转换器DAC 等几部分组成。如图1所示。在频率更新时钟f H 上升沿时,频率控制字K 锁存于N 位的频率调节字寄存器内。在系统时钟f C 的每一个时钟脉冲到来时

7、,控制字K 与相位累加器内容进行模2N 加,得到N 位正弦波相位值。再将N 位的相位码截去低B 位,用高M 位(M =N -B 作为地址对ROM 寻址,输出S 位的正弦波的幅度值,形成数字化的正弦波。数字化正弦波通过DAC 后,输出模拟的阶梯化的正弦波。阶梯波经过低通滤波器平滑后,生成模拟正弦波 。47现代机械2006年第4期合成时改变相位增量, 由于相位增量不同,一个周期内的取样点数也不同,这样产生的正弦信号频率也就不同,从而达到频率合成的效果。虽然正弦波信号本身是非线性的,但其相位是线性的。从上面的工作过程看出,经过采样和量化的正弦波幅度值,在频率控制字K 和系统时钟f C 的的共同控制下

8、,复原输出频率f o 的正弦波,它们之间满足下列关系:f 0=K2NfC(1输出频率最小频率即分辨率:f min =12N f C (2直接数字频率合成具有高分辨率、超高速的频率改变速率、低相噪的优点,为超高速频率合成器的实现提供可能。但DDS 技术仍然有它的缺点:输出频率低和输出杂散大。依据采样定理,DDS 输出频率低于系统时钟f C 的1/2,实际应用中一般只能达到40%f C 。因受到DDS 器件的速度限制,DDS 输出频率上限有待提高。散杂来源主要有三个:相位累加器相位舍位误差造成的杂散;幅度量化误差(由存储器有限字长引起造成的杂散和DAC 非理想特性造成的杂散。3设计方案3.1波形发

9、生器的主要技术指标标准波输出:正弦波、方波、三角波。任意波输出:1×4096点(抽样输出频率范围:0.110M Hz 频率分辨率:0.1Hz 输出信号电压:5V p -p相位噪声:-90dB/Hz3.2系统设计本系统主要由单片机部分、DDS 主通道部分、键盘及显示部分以及输出信号调理等部分组成。同时片外还扩展了1片4k 程序存储器SRAM 和6K 数据存储器ROM ,分别用来存放所需波形抽样数据和三种标准输出波形抽样数据。系统的原理框图如图2所示,把DDS 原理用FP GA 来实现,并用单片机来控制整个系统实现任意波形的产生。但波形存储器不用ROM 而是用SRAM ,这样做是为了让本

10、设计系统能产生任意信号的波形,而波形的抽样数据不是直接存放在SRAM 里,而是存放在扩展的ROM 里,SRAM 作为一个波形抽样数据的公共存储器。当要产生某种波形时,输入相应的控制信息,系统将抽样数据从ROM 里加载到SRAM 里,以供FP GA 工作时寻址查表使用 。DDS 主通道部分是我们设计的关键所在,该部分主要由相位累加模块、地址总线控制模块、数据总线控制模块与波形数据存储器SRAM 等组成。其中相位累加模块、地址总线控制模块和数据总线控制模块都是在FP GA 上实现,采用的芯片是AL TERA 公司的FL EX10K 系列器件。我们将所需要合成的波形采样数据固化在ROM 中,但是我们

11、知道ROM 的读周期比较长,很难满足系统的访问时间要求。因此设计中又使用了1片HSRAM ,在DDS 系统合成波形的过程中,代替ROM 进行波形数据的快速查询。键盘和显示部分是系统和用户进行交互的重要手段。这部分的功能是单片机控制实现的。输出信号调理部分是把从HSRAM 中读出的波形的数字幅度值首先转换成模拟信号,然后再进行放大、滤波处理后输出。这一部份包括D/A 转换器、幅度放大器和滤波器。DAC 器件采用AD 公司的12位AD9713B ,该器件特点是具有较高的更新速率(100MSPS 和较低的功耗(725mW ,因此特别适合于DDS 信号合成。幅度调节电路使用的是双极性放大器AD708、

12、AD9617和AD9713所组成的电路。采用32位输入控制字,高29位作为频率控制字和相位累加器的输入,低三位作为系统的其他控制位,而RAM 寻址被截断成12位。由式(1可知,要确定信号的输出频率只要确定了N ,K (即Phase 和f c 三个参数即可。假设固定f c ,对K 进行变化,由奈奎斯特定理可知输出频率可以达到晶振频率的一半,但为了保证其保真度,要求对波形进行至少4个点的取样,因此我们要用40M 的参考时钟,此时输出的最高频率为10M Hz 。由(2式可知,输出的最低频率即频率分辨率为0.074505805Hz <0.1Hz 。从上述分析可知,波形存储器RAM 中存储波形幅值

13、的数据越多,输出的波形越逼近实际波形,所以在设计时采用4k ×8b 大小的RAM ,即是说我们可以对任意波形进行4096个点抽样,这样本设计就满足了设计要求。3.3单片机的选取本系统的一个特点是控制芯片采用A TM EL 公司的AVR 系列单片机A Tmega8,用于控制键盘、显示和FP GA 的工作。AVR 单片机由于采用了精简指令集RISC 结构,工作在16M Hz 时能达到16MIPS ,因此具有高速运行处理能力。同样以12M Hz 的晶振为例,AVR 单片机的一个机器周期为1/12s ,而普通51单片机的一个机器周期则为1s 。因此,使用AVR 单片机来控制整个系统,对于提高

14、整个系统的运行速率和性能都是十分有利的。此外,在AVR 家族中,A T 2mega8是一种非常特殊的单片机,它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路,具备AVR 高档单片机M EGA 系列的全部性能和特点,并且在省电性能、稳定性、抗干扰性及灵活性方面都比A T90系列更加周全和完善3。并且支持在线编程(ISP 和在应用程序(IAP 。由于采用了小引脚封装(为DIP 28和TQFP/ML F32,不仅能够有效减小硬件系统的体积,而且其价格仅与低档单片机相当,成为具有极高性价比的单片机。本系统的另一特点是采用以高级程序设计语言BASIC 为手段的AVR 单片机开发平台:BASCO

15、M -AVR 。它是MCS Electronics 公司推出的面向AVR 单片机系列,采用高级程序设计语言Windows BASIC 的软件开发平台。其特点主要有:程序语句和Microsoft VB/QB 高度兼容,为标准的L CD 显示器,I2C 芯片和单总线协议芯片等扩充了专用语句,内置模拟终端和程序下载功能,内置软件仿真平台用于测试,57计算机应用具有完善的连机帮助功能和大量的例程。不仅控制灵活方便,而且学起来比较简单直观4。在本系统的软件设计中,它最大的特点体现在对键盘和L CD 的控制上。在BASCOM -AVR 中,已经提供了一个读4×4键盘的专用功能函数(GET K B

16、D ,利用这个函数我们就不必从底层编写键盘扫描子程序了,只需调用该函数,就能完成按键扫描和消抖处理的过程,返回一个按键的值,非常方便灵活。在L CD 的使用上,如果要先编写底层的控制子程序,再编写上层的应用程序,需要花费较长的时间。但是由于点阵字符液晶显示器模块在国际上已经规范化,因此BASCOM 中提供了强大的L CD 应用的功能语句,在L CD 的字符显示、清屏,光标的定位、显示、闪烁等控制上都有专门的语句供调用,只要写上几条语句,需要显示的信息就能在L CD 上显示出来。3.4工作原理单片机系统上电自检完毕后,根据键盘输入参数确定信号波形,开始进行所需波形抽样数据加载过程,将波形一个周期

17、的抽样点数据写入SRAM 里,以供频率合成使用。单片机将接收到的频率值转换成频率控制字,送到相位累加器。相位累加器在每一个时钟周期进行相位累加,然后将每次的累加和作为地址去寻址RAM ,读出与该地址所对应的波形幅度值,然后送到D/A 转换器转换成模拟信号,最后经幅度放大、滤波输出。当所需波形不是三种标准波形时,可以通过在线编程产生所需波形的抽样数据 ,直接将抽样数据存入SRAM ,以便频率合成时使用,这样就可以产生任意波形的信号。4DDS 通道的FPG A 实现这一部分是DDS 信号合成中的关键部分,由DDS 系统原理框图可知,其主要是由相位累加器、地址总线控制器、数据总线控制器与SRAM 组

18、成。其中,除了SRAM 外,其余3个模块都是在FP GA 上实现。相位累加器是整个DDS 系统运转的关键,它设计的好坏直接影响到整个系统的功能如图所示,它实质上是1个带反馈的29位加法器性能。把输出数据作为另一路输入数据和从微处理器送来的频率控制字进行连续相加,产生有规律的29位相位地址码。设计中采用流水线技术实现29位加法器。虽然DDS 芯片使用比较方便,但它的ROM 里一般都只存有一种波形(正弦波,加上一些外围电路也能用它产生少数几种波形,但速度受到很大的限制,因此它使用不是很灵活,为了增加他的灵活性,采用了FP GA 实现DDS 技术,把DDS 中的ROM 改用SRAM ,SRAM 作为

19、一个波形抽样数据的公共存储器。FP GA 的结构框图如图3,整个设计过程可用FP GA 的开发软件来实现和仿真,很容易实现的。5波形抽样数据的产生因为每种波形(确切的说是周期波形都对应着一种数学模型,因此只要把我们所需波形的数学模型写出来,用软件实现抽样数据的产生,并把数据放入ROM 。以便所需波形的抽样数据加载到SRAM 里,为合成所需波形的频率使用。6频率控制字的计算设输出信号的频率为f o ,参考频率为f C ,频率控制字为K ,则三者的关系为:K =(f o ×229/f C因此当输入所需频率时,经上式转换成频率控制字去驱动FP GA 工作,从而产生我们所需波形的频率。7结束语本系统设计把DDS 电路用FP GA 来实现,并用A T 2mega8单片机来控制整个系统实现任意波形的产生。用这种方法设计的波形发生器