多功能直接數(shù)字頻率合成器設(shè)計(jì)

馬子軒

摘? ?要：本文使用QuartusII9軟件對(duì)SmartSOPC試驗(yàn)箱中的FPGA進(jìn)行編程，使FPGA實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器（DDS）的核心功能。DDS的核心器件包括分頻器、頻率調(diào)節(jié)預(yù)置電路、累加器、波形儲(chǔ)存器等模塊。在后期的擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)中加入了開(kāi)關(guān)按鍵、LED數(shù)碼管、測(cè)頻電路、顯示控制電路、波形選擇電路等模塊，實(shí)現(xiàn)了輸出頻率與相位可控和可視化、輸出多種波形、頻率可測(cè)等功能的多功能直接數(shù)字頻率合成器。

關(guān)鍵詞：直接頻率合成器? FPGA

中圖分類號(hào)：TN 74? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0006-02

1? 設(shè)計(jì)原理

1.1 DDS系統(tǒng)組成

DDS系統(tǒng)核心由分頻器、頻率調(diào)節(jié)與預(yù)置電路、累加器、波形存儲(chǔ)器構(gòu)成。頻率預(yù)置電路負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)頻率設(shè)定位（K）和相位設(shè)定位（P），其中K即為讀取ROM表時(shí)的步長(zhǎng)，P即為讀取ROM表時(shí)的開(kāi)始位置。由此可得其輸出的頻率為Kfc/N，其中fc為DA轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，N為ROM表的長(zhǎng)度。根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，K最大為N/2。

累加器由n位加法器+n位寄存器組成，負(fù)責(zé)在激勵(lì)信號(hào)的作用下，累加相位，然后將相位信息輸出到波形儲(chǔ)存器中讀出波形幅值信息，將幅值信息輸送到DA轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)過(guò)低通濾波器后得到輸出波形。

1.2 DDS的電路組成

整體的DDS電路由四大部分組成，圖1所示的低通濾波器和DA轉(zhuǎn)換器由SmartSOPC試驗(yàn)箱提供。分頻器電路對(duì)開(kāi)發(fā)板提供的穩(wěn)定48MHz信號(hào)進(jìn)行了分頻，以提供給各個(gè)電路模塊使用，如表1所示。

頻率預(yù)置電路用于調(diào)節(jié)K和P，其中K和P的調(diào)節(jié)范圍均設(shè)置為1～1024，我們提供了兩種調(diào)節(jié)速率（快調(diào)和慢調(diào)），分別使用2Hz和10Hz的調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)作為激勵(lì)。

累加器由三片7483四位加法器實(shí)現(xiàn)，將加法計(jì)算出的結(jié)果輸送給D觸發(fā)器寄存，等待下一個(gè)上升沿到來(lái)后將這個(gè)數(shù)發(fā)送到加法器的輸入端，實(shí)現(xiàn)累加。這里接入的是1MHz的脈沖信號(hào)，這個(gè)脈沖的頻率需要和ROM的讀取頻率相同。

波形儲(chǔ)存器為12位尋址，相當(dāng)于將一個(gè)周期的正弦信號(hào)離散成樣值序列，將每個(gè)樣值對(duì)應(yīng)的幅值以10位二進(jìn)制輸入到ROM中。在ROM的輸入端加入使能引腳，命令電路只讀取已經(jīng)使能的ROM，這樣可以節(jié)省電路的性能損耗，同時(shí)也給波形選擇帶來(lái)了極大的方便。

為防止用戶在操作時(shí)的抖動(dòng)，加入除顫電路。利用一個(gè)集成的D觸發(fā)器進(jìn)行除顫，除顫電路的頻率是10Hz。

2? 附加功能

在設(shè)計(jì)完基礎(chǔ)的DDS功能之后，為了實(shí)現(xiàn)與客戶的友好交互，繼續(xù)設(shè)計(jì)了波形選擇，測(cè)頻等。

2.1 波形選擇

DDS需要輸出多種波形，需要通設(shè)計(jì)一個(gè)ROM選擇電路來(lái)實(shí)現(xiàn)不同波形的切換。

波形選擇模塊主要由74160模十計(jì)數(shù)器、74138譯碼器、兩個(gè)8選1的總線選擇器構(gòu)成。74160用來(lái)計(jì)數(shù)從而選擇波形;74138將計(jì)數(shù)的結(jié)果譯碼，來(lái)選擇哪個(gè)ROM被讀取;8選1總線選擇器用來(lái)將從ROM中讀取的數(shù)據(jù)選擇出來(lái)，送到DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。

2.2 測(cè)頻功能

此功能用于測(cè)量此時(shí)輸出的波形的頻率，并將其輸出在數(shù)碼管上。其基本原理是讀取ROM中的數(shù)據(jù)的峰值出現(xiàn)的時(shí)刻，當(dāng)峰值出現(xiàn)時(shí)計(jì)數(shù)器就+1，在T=1s的范圍內(nèi)，計(jì)數(shù)器的值即為輸出信號(hào)的頻率。

3? 仿真

下面羅列出各個(gè)模塊的仿真情況。其中分頻電路和波形存儲(chǔ)電路因仿真時(shí)間較長(zhǎng)，在這里不提供仿真結(jié)果。

4? 示波器測(cè)試結(jié)果

由于測(cè)試結(jié)果較多，在這里僅提供兩種示波器的結(jié)果。一種是基本的三角函數(shù)信號(hào)，一種是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的一箭穿心圖樣，如圖4、5所示。

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