基于SoPC的DDS信号发生器设计

摘要：直接数字频率合成技术是一种新型的信号产生方法，是现代信号源的发展方向。该系统由FPGA控制模块、键盘、LED显示组成，结合DDS的结构和原理，采用SOPC和DDS技术，设计出具有频率设置功能的多波形信号发生器。以Altera公司的CycloneⅡ的核心器件EP2C35为例，NIOSⅡCPU通过读取按键的值，实现任意步进、不同波形的输出显示功能。
关键词：SOPC；NIOS；DDS；FPGA

0 引言
    直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)是一种新型的频率合成技术，它把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。在现代通信领域中，DDS的应用极其广泛。实现DDS常用的方法是采用专用的DDS芯片，控制部分采用独立的MCU，这样设计出来的系统的集成度和扩展性不尽人意。随着大规模现场可编程门阵列的推出，SOPC的不断发展，设计人员可以在FPGA的嵌入式软核处理器上设计各种系统，满足用户需求。本文基于SOPC技术设计直接数字频率合成器，选用Altera公司的新一代FPGA(CycloneⅡ)为核心，利用FPGA的逻辑单元实现相位累加等数字逻辑功能，在ROM中分别放入正弦表、方波表、三角波表、锯齿波表，用软核CPU做控制，实现频率、相位、波形选择等。这样可以大大减小处理器外围扩展电路数目，还提高了系统的稳定性和抗干扰能力，节省了内部资源。

1 系统方案设计
    系统采用SOPC设计方案。整体系统框图如图1所示，它由频率预置电路、波形选择、波形频率控制、累加器、存储波形数据的存储器和D／A转换电路、滤波电路组成。累加器模块由10位加法器与10位寄存器级联而成。波形存储器中放入正弦波、方波、三角波、锯齿波的数据。

1．1 DDS基本工作原理
    DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。一个完整DDS结构图如图2所示。

    相位累加器在每一个时钟上升沿与频率控制字K累加一次，当累加器计数大于2N时，相位累加器相当于进行一次取模运算。在每一个时钟周期内，根据送给ROM的地址，取出ROM中与该地址相对应的波形的数据，读取出ROM中的数据后通过D／A转换器，将数字量转换成模拟量，通过低通滤波电路，可输出一个平滑的波形。
  
    当K=1时，DDS有最小频率输出，因此DDS的步长为fclk／2N，最大输出频率为fclk／2。在本设计中，将N设定为10位，M设定为12位，相位累加器在时钟的控制下，以步长K进行累加，输出N位二进制码，并以其作为波形ROM的地址，对波形存储器ROM寻址，波形存储器ROM输出的数据经过D／A转换成阶梯波后，经过低通滤波器平滑后，便得到合成后的波形了，合成后的波形形状取决于波形选取和ROM中的数据。
1．2 D／A转换器
    从DDS核输出的是一个数字信号，需要将数字信号转换成模拟信号，才能便于观察。DAC有电压和电流输出两种，其输出的信号并不能真正连续可变，而是以其绝对分辨率为最小单位，所以它的输出实际上是一个阶梯模拟信号，所以需要将D／A输出的信号通过低通滤波器平滑后得到纯净的模拟信号。在该设计中用到型号为AD9742的D／A转换器，AD9742是具有12位、低功耗、转换速度可达到100 Mb／s的D／A转换器。
1．3 基于SOPC的硬件架构
    系统开发包括硬件部分和软件部分，而硬件部分是由SOPC开发工具搭建而成。SOPC Builder生成NIOS嵌入式处理器，NIOS嵌入式处理器开发工具允许用户配置多个CPU，在标准库中添加外围电路，也可以由用户自定义外设，综合处理自定义系统，这样使设计变得更加灵活。
    打开SOPC Builder后分别添加CPU，PIO输入(10个按键用作频率字的输入、1个按键用作确认、4个按键用作波形的选择)，存储器(FLAS-H，SRAM和SDRAM)，PIO输出(10位作为ROM的地址、2位作为ROM块的选择、7位为LED段码、1位为LED的选通端)和定时器。所有组件添加完后的硬件架构图如图3所示。

    SOPC Builder生成之后，在QuartusⅡ软件中可以添加生成之后的CPU模块，而DDS模块是用VHDL语言编写而成，DDS模块图如图4所示。其中的ROM大小为12×1 024，共设置4块ROM分别存储正弦波、方波、三角波、锯齿波。波形数据是由Matlab软件计算出来的，并将数据以．mif文件格式存储。累加器的输出为波形存储器的地址，进行波形的相位一幅值转换后，作为输出的波形的幅值。10位的寻址ROM相当于将一个周期的信号进行离散化，形成具有1 024个样值的序列。累加器产生的地址通过波形的地址分配读取不同存储器中的数据，然后将读出来的数据经过D／A转换器，转换成模拟信号输出。

2 软件设计
    NIOSⅡ完整的开发环境是NIOSⅡ处理器与用户的接口界面。使用NIOSⅡIDE可以完成所有的软件开发任务，包括程序的编辑，编译和调试。硬件提取层(HAL)支持通用I／O器件，可以通过编写标准C程序访问硬件，HAL减少了对硬件寄存器的访问，直接与外围器件进行通信或控制。不同的外围硬件需要不同程度的HAL的支持，需要运行HAL的软件驱动器。DDS系统控制在NIOSⅡIDE环境下用标准C语言实现，通过编写代码、编译、链接、调试、下载几个步骤完成整个设计。
    打开IDE开发环境后，第一步需要做的就是新建一个工程，将SOPC Builder生成的．ptf添加之后，系统根据该硬件的地址分配情况自动生成相应的头文件，该头文件定义了各个组件的基地址。当SOPC系统发生变化，IDE将在用户编译和运行应用程序时重新对HAL进行编译。整个软件编写的流程图如图5所示。

3 系统调试过程与结果
    系统时钟为50 MHz，当波形选择键选为正弦波，频率字设置为5时，数码管上显示5，按下确认键后，数码管显示“—”，通过示波器，可以观察到输出波形如图6所示，横轴为时间档，纵轴为幅值。当波形选择键选为方波，频率字设置为10时，数码管上先显示1，后显示0，按下确认键之后，数码管显示“—”，这样在示波器上观察到的波形如图7所示。按照上面的操作过程，三角波和锯齿波的波形分别如图8，图9所示。

4 结论
    本文所设计的是频率字的预置与波形的选择，是通过键盘输入的，因此能够得到规定范围内的任意频率的波形，这样可以很好地满足变频信号的情况，实用性较强。实验所调试出的波形清晰，干扰小。采用SOPC方法实现，使设计变得非常灵活。该设计只实现了任意频率的波形输入，还需要实现相位累加，设计才会变得更加完美。