基于DDS的正弦波信號發生器的設計★

崔唯佳，高磊，陳曉軍

（中北大學信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051）

0 引言

隨著科學技術的發展, 普通的性能單一的波形發生器已經越來越不能滿足實際的需求, 要想實現性能復雜、波形多樣的發生器, 頻率合成技術是一種較好的實現方法。頻率合成技術分為直接數字頻率合成技術( Direct Digital Frequency Synthesis, 簡稱DDS 或DDFS)、間接頻率合成技術、直接模擬頻率合成技術。基于DDS的任意波形發生器對硬件要求低， 頻率切換速度快，很容易提高其頻率分辨率和改變其頻率范圍。本文采用基于DDS技術結構構造正弦波形發生器， 充分利用單片機靈活的控制、豐富的外設處理能力和外設的替代性，實現頻率、幅值可調的函數波形輸出，同時可以根據需要方便地實現各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能, 具有很好的實用性。

1 基本理論

DDS的工作原理:DDS是以相位累加器為核心的,它由一個N位字長的二進制加法器和一個N位寄存器組成,作用是對頻率轉換字(w )進行線性累加; 正弦查找表中所對應的是一張函數波形查尋表, 對應不同的相位碼址輸出不同的幅度編碼。相位累加器累加輸出的序列對查找表尋址,得到一系列離散的幅度編碼。該幅度編碼經D/A轉換后得到對應的階梯波,最后經低通濾波器平滑后可得到所需的模擬波形。相位累加器在基準時鐘的作用下,進行線性相位累加, 當相位累加器加滿時就會產生一次溢出,這樣就完成了一個周期,這個周期也就是DDS 的信號的一個頻率周期。輸出頻率 f t0為:

2 設計思想

2.1 系統原理框圖

DDS以數控振蕩器的方式產生頻率、相位可控制的正弦波,主要由基準時鐘fs、相位累計器、幅度/ 相位轉換電路、正弦查找表、D/A轉換器組成。如圖1所示,它采用數字技術重復掃正弦查找表來獲取數據,構筑處所希望的波形。

圖1 系統原理框圖

2.2 硬件結構圖

硬件結構總體方案是通過電源芯片對FPGA供電，由JTAG接口作為程序下載口，最后由示波器觀察波形，如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

2.3 軟件設計

系統軟件設計采用模塊化思想， 可移植性、可讀性強。DDS算法利用循環溢出的相位累加器產生正弦函數的相位變量。相位累加器每溢出一次， 就代表正弦波形的一個周期。相位累加器輸入的頻率控制字控制生成的正弦波形的頻率， 累加器的瞬時相位輸出作為ROM表的地址。ROM表是存有正弦采樣值的存儲器。系統流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖

2.3.1 地址累加器模塊設計

地址累加器的作用是將頻率轉換字輸出的頻率控制字進行逐步累加，并把結果送到查找表中進行尋址。部分VHDL源代碼如下：

2.3.2 正弦查找表進程

正弦查找表：表中所對應的是一張函數波形查尋表,對應不同的相位碼址輸出不同的幅度編碼。相位累加器累加輸出的序列對查找表尋址,得到一系列離散的幅度編碼。該幅度編碼經D/A轉換后得到對應的階梯波,最后經低通濾波器平滑后可得到所需的模擬波形。部分VHDL語言如下（查找表數據過多，只羅列一部分數據）：

3 實驗結果

根據以上設計，可得出正弦波信號發生器的仿真圖，如圖4所示。正弦波模擬信號波形圖，如圖5所示。由此可知實驗方案滿足要求。

圖4 仿真圖

圖5 正弦波

4 結束語

本文論述的基于DDS技術的正弦信號生成系統簡單易行，具有很強的實用性，通過VHDL語言編寫程序完成各個模塊的產生，進而完成整個系統，為相關領域提供了較好的模型和方法，具有很強的實際使用價值。

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