基于FPGA的DDS信号发生器的研究之文献综述

基于FPGA的DDS信号发生器的研究之文献综述

摘要：信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器的实现方法通常是采用分立元件或单片专用集成芯片，但其频率不高，稳定性较差，且不易调试，开

发和使用上都受到较大限制。随着可编程逻辑器件(FPGA)的不断发展，

直接频率合成(DDS)技术应用的愈加成熟，利用DDS原理在FPGA平台上

开发高性能的多种波形信号发生器与基于DDS芯片的信号发生器相比，成本更低，操作更加灵活，而且还能根据要求在线更新配置，系统开发趋于软件化、自定义化。

关键词：FPGA 、DDS、信号发生器

1．概述

频率检测是电子测量领域的最基本也是最重要的测量之一，频率信号抗干扰强，易于传输，可以获得较高的测量精度，所以频率方法的研究越来越受到重视[1]。在频率合成领域中,直接数字合成(Direct Digital Synthesizer，简称：DDS)是近年来新的技术, 它从相位的角度出发直接合成所需波形。它是由美国人

J.Tierncy首先提出来的,是一种以数字信号处理理论为基础,从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字技术的频率合成方法[2]。其主要优点有：频率捷变速度快、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化便于集成等，目前使用最广泛的一种DDS频率合成方式是利用高速存储器将正弦波的M个样品存

在其中，然后以查找的方式按均匀的速率把这些样品输入到高速数模转换器，变成所设定频率的正弦波信号[3]。一个典型的直接数字频率合成器应该包含一个正弦波样品的RAM。在限定相位跳跃的频率设置字的控制方式下来搜寻这些样本。一个典型的频率设置字是32位宽，但48位合成器在较高的频率分辨率也可使用。一个相位累加器产生连续的正弦查找表的地址，并生成一个数字正弦波输出。

DDS的数字部分，即相位累加器和查表，被称为数控振荡器（NCO）[4]。

2．DDS的基本原理

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与幅度采样，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2π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[5]。一个完整DDS的基本结构包括：相位累加器、正弦查询表、数模转换器(DAC)

及低通滤波器等[6]。

除了滤波器(LPF)之外，DDS系统都是通过数字集成电路实现的，易于集成和小型化。系统的参考时钟源通常是一个具有高稳定性的晶体振荡器，为各组成部分提供同步时钟。频率控制字(FSW)实际上是相位增量值(二进制编码)作为相位累加器的累加值。相位累加器在每一个参考时钟脉冲输入时，累加一次频率字，其输出相应增加一个步长的相位增量。由于相位累加器的输出连接在波形存储器(ROM)的地址线上，因此其输出的改变就相当于查表。这样就可以通过查表把存储在波形存储器内的波形抽样值(二进制编码)查找出来。ROM的输出送到D/A转换器，经D/A转换器转换成模拟量输出[7]。

3．FPGA的DDS信号发生器的研究历史

信号发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器[8]。在70年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复

杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的凋节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节[9]。

在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。

90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器。但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HPl776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8种波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。

到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHZ的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，Agilent 的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品N6030A 能够产生高达500MHZ的频率，采样的频率可达1.25GHZ。

4．国内外波形发生器发展现状

直接数字频率合成是一种新的频率合成技术，同传统的直接频率合成(DDS)、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[10]。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[11]。函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：

1. 过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段