摘要：本文利用直接數字合成技術通過一款FPGA可編程邏輯晶片實現函數信號發生器的研製，該信號發生器是以Altera公司生產的EP4CE6F17C8晶片為設計載體，通過DDS技術實現兩路同步信號輸出。通過軟體Quartus-II12.0和Nios-II 12.0開發環境編程，實現多種波形信號輸出，信號具有高精度的頻率解析度能力，最高可達36位。最後通過實驗輸出的波形信號符合標準。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/283528.htm引言
隨著電子技術的發展，微處理器時代的到來，數字處理技術逐步替代了模擬信號處理技術，加快了數位訊號處理技術的發展。信號發生器是測試計量、儀器儀表系統中不可或缺的測試設備，信號處理技術的快速發展和計算機技術的不斷進步，使得信號發生器的性能指標不斷提高，功能也不斷豐富，信號源在工業生產、科研實驗中獲得了越來越多的應用範圍，如在電子系統、電路仿真、型號試驗等一系列系統中都要用到信號發生器。信號發生器在工業現場通過模擬傳感器信號調試設備，例如模擬氧傳感器、壓力傳感器等直流信號。
目前，信號源主要由頻率合成、信號調理、調製三大部分構成，頻率合成部分主要產生所需要的頻率和波形信號;信號調理部分實現信號的幅度參數調節;調製部分負責將低頻調製信號調製到射頻載波的某一參數上。信號源從頻率合成原理上基本分為三類：一是直接模擬合成技術;二是間接合成技術;三是直接數字合成技術。直接模擬合成技術理論相對成熟，其頻率的切換主要受限於選頻電路電子開關濾波器的響應速度，跳頻速度比較快，這類頻率合成器模擬電路比較多、相對複雜。間接合成技術則是採用鎖相環(PLL)技術，其硬體電路的組成相對直接模擬合成方式要簡單，原理也比較複雜，由於鎖相環本身的特性，其頻率切換時間比直接數字合成慢許多。直接數字合成技術簡稱DDS(Direct Digital Synthesizer)技術是一種相對較新的頻率合成技術，直接改變頻率控制字就可以實現頻率的切換，DDS的頻率變化是瞬時的目前可以達到納秒。本文研製的基於FPGA技術的DDS信號源就是採用的直接數字合成技術。
1 直接數字合成技術的原理
直接數字頻率合成技術簡稱DDS(Direct Digital Synthesizer)技術是從相位概念出發的直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術。DDS是利用信號相位與幅度的關係，對需要合成的信號波形進行相位分割，對分割後的相位值賦予相應的地址，然後按時鐘頻率以一定的步長抽取這些地址，這樣按照一定的步長抽取地址(相位累加器值)的同時，輸出相應的幅度樣值，這些幅度樣值的包絡反映了需要合成信號的波形。一個直接數字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲器、D/A轉換器和低通濾波器構成。其中DDS的原理框圖如圖1所示。
DDS技術是數字控制的從一個標準參考頻率源生成多種頻率技術，把一系列數位化形成的信號通過D/A轉換成模擬信號的合成技術。例如正弦波的生成是通過高速存儲器查找表，利用高速D/A轉換器產生已經用數字形式存入的正弦波。圖1中的頻率控制字和相位控制字分別控制DDS輸出正餘弦的頻率和相位。DDS系統的核心是相位累加器，它由一個累加器和1個N位的相位寄存器組成。每來一個時鐘脈衝，相位寄存器以步長M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，其結果作為正弦的查找表的地址，正弦查找表由ROM構成，內部存有完整的周期正弦波數字信息，每個查找表的地址對應的正弦波0-2π範圍內的一個相位點。查找表把輸入的地址信息映射成正弦的數字幅度信號，同時輸出給模數轉換器D/A，模數轉換器D/A輸出的模擬信號經過低通濾波器，可以得到一個頻譜純淨的正弦波。
對這個頻譜純淨的正弦信號可以用如下公式來描述：
(1)
其相位為：
(2)
顯然，該正弦信號相位和幅值均為連續，為了便於採用數位技術，應對連續的正弦信號進行離散化處理，即把相位和幅值均轉換為數字量。
用頻率為fclk的基準時鐘對正弦信號進行抽樣，這樣，在一個基準時鐘周期Tclk內，相位的變化量為：
(3)
由式(3)得到的Δθ為模擬量，為了把Δθ轉換為數字量，將2π切割成2N 等份作為最小量化單位，從而得到Δθ數字量M為：
(4)
將式(3)代入式(4)得：
(5)
經變化後得：
(6)
目前，DDS技術具有超寬的相對寬帶，超高的切換速率，超細的解析度以及相位的連續性，可編程、全數位化以及可方便實現各種調製等優越性能，產生的波形信號準確、精度可靠、抗幹擾性強。但存在誤差大的缺點，限於數字電路的工作速度，DDS的頻率上限目前還只能達到數百兆。
2 總體方案的選擇
DDS信號發生器的設計方案有很多，可以採用單片專用集成電路晶片解決，也可以採用高速的微處理晶片來設計，還可以採用FPGA晶片來設計，基本的設計方案簡介如下。
2.1 採用高性能的DDS集成電路方案
隨著微電子技術的飛速發展，目前高超性能優良的DDS產品不斷推出，美國AD公司也相繼推出了他們的DDS系列：AD9850、AD9851、可以實現線性調頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調製器AD9853、數字上變頻器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列產品已具有較高的性價比，目前取得了極為廣泛的應用。採用專用的DDS晶片AD9850來設計電路，其典型電路如圖2所示。
優點：開發周期短，實現系統簡單(最小系統+DDS晶片)，系統後加模擬調理電路。
缺點：國外廠商的晶片的輸出指標儘管很高，如有AD9852、AD9854，而且實現起來比較簡單，只需送人按其指定的公式算出頻率控制字即可輸出波形，但存在著功能單一的缺點。
2.2 採用FPGA晶片的DDS方案
DDS技術的實現依賴於高速、高性能的數字器件。而FPGA晶片就具有速度高、規模大、可編程以及有強大EDA軟體支持等特性，十分適合實現DDS技術。Altera公司的現場可編程邏輯陣列具有高性能、高集成度和高性價比的優點，此外它還提供了功能全面的開發工具和豐富的IP核、宏功能庫等，因此Altera公司的產品在實現DDS技術方面獲得了廣泛的應用。通過FPGA技術則可以根據需要靈活地實現各種比較複雜的調頻、調相和調幅功能，具有良好的實用性。針對生成波形信號質量而言，專用的DDS晶片採用特定的集成工藝，內部數位訊號抖動很小，可以輸出高質量的模擬信號，但控制功能單一固定;而FPGA也能輸出較高質量的信號，而且輸出信號靈活，雖然達不到專用DDS晶片的水平，但信號精度誤差在允許範圍之內。
基於DDS技術原理選用的可編程邏輯器件、D/A轉換模塊、外部存儲模塊，通過數學函數式來生成波形信號，電路總體結構框圖如圖3所示。
優點：
(1)RAM查詢表法結構比較簡單，只需要在RAM中存放不同相位對應的幅度序列，然後根據相位累加器的輸出對其尋址，經過D/A數模轉換器和低通濾波器輸出。
(2)硬體實現比較容易，可以實現任意波形的輸出。
在基於DDS原理的基礎上，利用可編程邏輯晶片設計的DDS硬體電路，同樣可以達到專用的DDS晶片所產生的波形性能。因此本系統採用的方案技術是基於FPGA技術的DDS設計方案。
3 硬體電路的設計
本文提出的信號源將採用方案二實現，原理將通過直接數字合成的方式，逐點讀出波形存儲器中的波形數據，通過D/A轉換器和低通濾波器後輸出所需的波形，通過改變參考時鐘的頻率和計數步長就可以實現頻率的改變，本系統的硬體結構框圖如圖3所示。
本文提出的基於FPGA技術的DDS信號源的技術方案，由於可編程邏輯器件以其速度高、規模大、可編程及有強大的EDA軟體支持特性，十分適合實現DDS技術，所以本系統採用Altera公司的Cyclone IV型EP4CE6F17C8作為波形生成的核心部件，具體晶片功能的特點如下。
(1)低功耗、高性能，控制邏輯單元6272個，片內電壓支持3.3V，2.5V，內核電壓1.2V。
(2)支持多種下載方式，支持AS、AP、PS、FPP、JTAG。
(3)FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一。
(4)FPGA採用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。
3.1 電源電路的設計
本系統採用的FPGA為Altera公司的Cyclone IV型EP4CE6F17C8，該晶片的片內電壓支持3.3V，2.5V，1.2V，因此根據設計需要，使用線性穩壓器件AMS1117系列分別產生相應的電源電壓，供給本開發系統，該線性穩壓晶片使用簡單，紋波電壓小，對系統的幹擾也小，電源電路如圖4所示。