基于DDS的高精度任意波形发生器设计

摘要：系统利用直接数字频率合成技术(DDS)完成任意波形发生器设计，以FPGA作为核心控制器件，用Flash和RAM作为波形数据存储模块，在上位机软件的控制下，利用高精度D／A转换器，实现正弦波、方波、三角波、锯齿波、高斯白噪声等任意波形输出。系统可广泛用于通讯、遥控遥测、震动激励和仪器仪表等领域。
关键词：DDS；FPGA；Flash；RAM；上位机；D／A转换器

    随着数字信号处理技术的飞速发展，高精度大动态范围D／A转换器的出现和广泛应用，基于取样技术和计算技术，通过数字方法生成频率和相位相对固定且可调的合成技术，即直接数字频率合成(DDS)技术日益成熟，它采用全数字化结构，具有频率分辨率高、相对带宽宽、频率转换速度快、相位噪声低、信号纯度高等优点。因此，本系统采用DDS技术来完成任意波形发生器设计。

1 DDS工作原理
    直接数字频率合成(DDS)技术是一种以采样定理为基础的全数字化波形产生方法。DDS频率合成器主要由相位累加器、波形数据存储器、D／A转换器和低通滤波器组成，其原理框图如图1所示。在一个系统时钟周期内，相位累加器将前一次的累加值与频率控制字相加，得到新的累加值，将新的累加值作为地址，从波形数据存储器中读取信号的幅度值，送入D／A转换器将数字信号转换为模拟信号，最后再经低通滤波器生成需要波形。其中波形数据存储器中存储了周期信号单个周期的幅度值，相位累加器每溢出1次，可从波形数据存储器中读取1个周期的信号幅度值。因此，若假设频率控制字为K，相位累加器为N位，则经过个系统时钟周期，可产生1个周期的输出信号，再设系统时钟频率为fsclk，则输出信号频率。

2 系统总体框图
    系统总体框图如图2所示。其中，上位机软件由LabWindows软件编写，用于控制信号的产生，下位机以FPGA作为核心控制器件，主要用于接收上位机发送的控制命令和信号参数，并控制下位机系统产生对应波形。下位机系统主要分为FPGA控制单元、波形存储单元、波形产生单元。波形存储单元主要包括Flash和SRAM，Flash用于存储各种波形数据，波形产生时，FPGA先将要产生的波形数据从Flash读入SRAM，再利用相位累加器的累加值从SRAM中读取波形数据。波形产生单元主要完成波形数据的产生，首先将SRAM读出的波形幅度数据送入D／A转换器，产生信号的阶梯序列波，再通过低通滤波器和功率放大电路产生输出信号。

3 系统硬件设计
3．1 Flash连接电路图

    Flash采用美国飞索半导体公司的S29AL032D，其容量为32 MB，它用于存储各种波形的幅度信息，其存储形式如图4所示。

    由图4可知，地址区间0x000000～0x01FFFF存储正弦波幅度值，地址区间0x020000～0x03FFFF存储三角波数据，地址区间0x040000～0x05FFFF存储锯齿波数据，地址区间0x060000～0x07FFFF存储白噪声数据，地址区间0x080000～0x0FFFFF为4个用户自定义区，存储4种用户需产生的周期波形数据。
3．2 RAM连接电路图

    RAM采用美国芯成半导体公司的IS61LV25616AL-10T，其容量为256×103×16 bit，主要用于存储上位机发送的控制命令及波形产生时信号的幅度值，其存储形式如图6所示。

    地址区间Ox00000～0x1FFFF存储上位机发送给下位机的控制命令和数据参数，地址区间Ox20000～Ox2FFFF存储系统要产生信号的波形幅度值。
3．3 信号产生电路连接图
    图7为任意信号产生的电路连接图，产生信号频率范围为50 Hz～200 kHz。其中，AD768为16位高精度D／A转换器，其最大更新速率可达40Msps，满足设计要求。

4 系统软件设计
4．1 上位机软件设计
    上位机部分由Labwindows软件编写，主要负责对下位机系统的控制，包括对信号频率、幅度、相位(占空比)的设置，信号波形的选择，用户自定义波形数据的输入等，其控制面板如图8所示。

4．2 FPGA软件设计
    FPGA为系统的核心控制单元，负责与上位机软件通信及控制下位机系统产生任意波形。
4．2．1 与上位机通信模块设计
    上位机与下位机的通信是通过RS232来实现的，FPGA主要用于接收RS232发送过来的数据并将其存入外部RAM中，通信模块如图9所示。

    RS232_Controller模块用于接收上位机发送过来的数据，RS232的速率为115．200 kB／s，8位数据位，1位停止位，无校验位。data_bu-ffer将RS232_Controller接收的数据缓存，并按接收先后顺序组合成16位数据后送入RamWrite。RamWrite再将这些16位数据从地址0x00000开始存入外部RAM中。
4．2．2 接收数据处理模块
    本模块主要用于分析和处理接收到的上位机数据，从中提取出信号的数据信息、各项参数及控制命令，如图10所示。

    当RS232发送数据完成时，接收数据处理模块立即从地址0x00000开始读取RAM中的数据。当第1个数据和第2个数据分别为16'hAAF0和16' hBB55时，则第3个数据的高8位为命令控制字，否则接收数据处理模块停止读取RAM中的数据。8位命令控制字各位所代表含义如下

    用A代表命令控制字，A[n]代表命令控制字的第n位数据，则：
    当A[15]为1时表示存储用户自定义波形数据，为0时表示任意波形的产生。当为波形存储时，A[14：8]为0表示将波形数据存入用户自定义1区，为1表示存入2区，为3表示存入3区，为4表示存入4区。从读取的第4个数据开始即为用户自定义波形数据，共65 536个，再以16'h65 80和16'h0856作为结尾，其存储形式如图12所示。

    当为任意波形产生时，A[14：11]为0表示产生正弦波；为2表示产生方波；为3表示产生三角波；为4表示产生锯齿波；为5表示产生高斯白噪声；为6表示产生用户自定义1区波形；为7表示产生用户自定义2区波形；为8表示产生用户自定义3区波形；为9表示产生用户自定义4区波形。从RAM中读取的4个16位数据分别代表要产生波形的频率(32位)、幅度、相位(方波时为占空比)控制字。其数据存储形式如图13所示。

4．3 Flash数据存取模块设计

    此模块用于波形数据的存储和读取。在信号产生模式时，它根据Sig_Type[3：0]输入的数据判断需产生的波形，再从Flash中读取对应波形的数据信息并存入RAM中。当Sig_Type[3：0]为1时表示产生正弦波；为2时表示产生方波；为3时表示产生三角波；为4时表示产生锯齿波；为5时表示产生高斯白噪声；为6时表示产生用户自定义l区波形；为7时表示产生用户自定义2区波形；为8时表示产生用户自定义3区波形；为9时表示产生用户自定义4区波形。
4．4 波形产生控制模块
    模块利用DDS技术控制AD768产生任意波形信号，如图15所示。

    fre_ctrl，amp_ctrl，phase_ctrl分别为波形的频率控制字、幅度控制字和相位控制字。clk为此模块的控制时钟，它的6分频时钟为32位相位累加器时钟。在一个相位累加器时钟周期内，模块以累加器的高16位累加值、相位控制字及18'h20000之和作为RAM地址，从RAM中读取波形信号的数据，设此数据为data，则D／A输出的数据为，然后再在clk_da的上升沿将此数据送入AD768，依次循环，则AD768的输出将产生阶梯状的信号波形，再经过低通滤波器和功率放大器即可得要产生的波形，图16为系统产生的5V、200kHz正弦信号。

5 结束语
    完成了任意波形发生器的设计，完成了系统硬件路的设计及软件编程，经测试，系统可产生50Hz～200kHz频带内的正弦波、方波、锯齿波、三角波、高斯白噪声等常用信号，该信号发生器具有频率分辨率高，频率转换速度快、信号纯度高、产生信号种类多等优点。可广泛应用于通信系统、自动控制系统、仪器仪表、电子对抗及遥控遥测等领域。