摘 要： 介紹了DDS的發展歷史及其兩種實現方法的特點，論述了DDS的基本原理，并提出一種基于FPGA的DDS信號發生器的設計方法，使DDS信號發生器具有調頻、調相的功能，最后對其性能進行了分析。實驗表明該系統具有設計合理、可靠性高、結構簡單等特點，具有很好的實用價值。
關鍵詞： FPGA；DDS；正弦波；信號發生器
1971年，美國學者TIERNCY J、TADER C M和GOLD B在《A Digital Frequeney Synthesizer》一文中提出了以全數字技術，從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理，稱之為直接數字頻率合成器DDS(Direct Digitial Frequency Synthesis)[1]。這是頻率合成技術的一次重大革命，但限于當時微電子技術和數字信號處理技術的限制，DDS并沒有得到足夠的重視。隨著現代超大規模集成電路集成工藝的高速發展，數字頻率合成技術得到了質的飛躍，它在相對帶寬、頻率轉換時間、相位連續性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標方面，已遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平。因此廣泛用于通信、宇航、遙控遙測、儀器儀表等各項電子領域[1-2]。
目前實現DDS的技術方案大致分為兩種，一是用專用的DDS芯片來實現。常用的DDS芯片有ADI公司的AD9xxx系列，如其中的AD9913，它具有高達100 MHz的模擬輸出，內部集成一個10位的D/A轉換器，頻率分辨率≥0.058 Hz，相調諧分辨率為0.022°[3]。另一種是用FPGA來實現。可編程的FPGA器件具有內部資源豐富、處理速度快、可在系統內編程并有強大的EDA設計軟件支持等特點。因此，基于FPGA的設計相對于專用DDS芯片，可使電路設計更加靈活、提高系統的可靠性、縮短設計周期、降低成本。所以，采用FPGA設計的DDS系統具有很高的性價比。
1 DDS基本原理
直接數字頻率合成的理論依據是采樣定理，即先對一個完整周期的正弦波進行N點采樣，然后把采樣點存儲在ROM中構成一個查找表，頻率合成時，相位累加器在參考時鐘的作用下控制ROM中數據的輸出。ROM的輸出經過D/A轉換，將一個階梯化的信號(即采樣信號)通過一個理想的低通濾波器，就得到符合要求的模擬信號。
DDS的基本結構如圖1所示，主要由相位累加器、相位調制器、波形ROM查找表、DAC和低通濾波器(LPF)構成。其中相位累加器、相位調制器、波形ROM查找表是DDS結構中的數字部分，由于具有數控頻率合成的功能，又合稱為NCO(Numerically Controlled Oscillators)。
2 DDS波形發生器的系統設計
本系統分為軟件設計和硬件設計兩部分，軟件部分主要是基于FPGA的程序設計，硬件部分包括D/A轉換和低通濾波器設計。
2.1 VHDL程序設計
2.1.1 定制波形數據文件
在設計DDS信號源之前，先建立一個儲存波形數據的ROM，儲存波形數據文件有.mif和.hex兩種格式。.mif和.hex格式的文件可以用Quartuas II建立，也可以用Quartuas II以外的編輯器設計，如MATLAB、C語言等。本系統的ROM文件一個周期有1 024個點的正弦波數據、10 bit地址線和10 bit數據線。
2.2 相關電路設計
2.2.1 D/A轉換電路
位于波形輸出ROM后的D/A單元，是將數字量形式的波形幅值轉換成所要求的合成頻率的模擬量形式信號[4]。由于儲存波形的ROM具有10 bit的輸出，所以采用10 bit的DAC將FPGA輸出的數字信號轉換成模擬信號。本系統采用ADI公司的10 bit COMS數模轉換芯片AD5432，AD5432的驅動電壓為3 V~5.5 V，具有50 MHz的串行接口、10 MHz的乘法帶寬、2.5 MS/s的更新速率，采用±10 V的參考輸入，輸出為電流[5]。
2.2.2 濾波電路
經由DAC的輸出信號實際上是階梯模擬信號, 需利用低通濾波器濾除波形的雜波，并進行平滑處理。由于本系統的最高輸出頻率為10 MHz，所以選取的低通濾波器的截止頻率也應為10 MHz。為了減少系統體積，節省設計時間，提高系統的可靠性，本系統選用凌特公司LT6600-10低通濾波器。LT6600-10內集成了一個全差分放大器和一個近似于切比雪夫響應的四階10 MHz低通濾波器，差分增益由兩個外部電阻設置[6]，其基本連接方式如圖3所示。
3 實驗仿真與分析
實驗中所用的FPGA芯片為Altera公司的Cyclone III系列，Cyclone III是Altera公司的首款65 nm低成本FPGA，含有5 K～120 K邏輯單元(LE)，288個數字信號處理(DSP)乘法器，存儲器達到4 Mbit。Cyclone III系列比前一代產品每邏輯單元成本降低20%，使設計人員能夠更多地在成本敏感的應用中使用FPGA。系統所用的測試頻率(參考頻率)為50 MHz，調試好系統，使系統的輸出從1 kHz~10 MHz遞增，并改變輸出波形的相位，輸出波形的相位變化范圍為0°~360°。經示波器測試，系統的輸出波形形狀良好，輸出波形的實測頻率與理論計算值的絕對誤差小于0.1%，滿足設計要求，有較好的實用價值。圖4為實驗的輸出波形。
產生測試信號的儀器統稱為信號源，也稱為信號發生器，它用于產生被測電路所需特定參數的電測試信號。信號發生器用途非常廣泛，科學實驗、產品研發、生產維修、IC芯片測試中都能見到它的身影，目前市場上大部分信號發生器多采用DDS頻率直接合成技術。盡管基于FPGA的DDS信號發生器應用廣泛，較傳統的信號源有許多優點，但是由于DDS數字化實現的固有特點,決定了其輸出頻譜雜散較大，又由于DDS內部DAC和ROM的工作速度的限制，使得DDS信號源的最高輸出頻率受限[7]。不過，隨著DDS技術的不斷完善和發展，其頻譜雜散、最高輸出頻率的性能指標將得到優化，未來將有越來越多的信號發生器采用DDS技術，所以說對DDS進行研究具有很好的現實意義。
參考文獻
[1] 張濤，陳亮.現代DDS的研究進展與概述[J].電子科技，2008，21(3)：73-78.
[2] 潘志浪.基于FPGA的DDS信號源的設計[D].武漢：武漢理工大學，2007.
[3] Analog Devices，Inc.AD9913 data sheet(Rev A)[A].2010.
[4] 潘松，黃繼業.EDA技術VHDL（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2007：244-250.
[5] Analog Devices，Inc.AD5432 data sheet(Rev C)[A].2009.
[6] Linear Technology Corporation.LT6600-10 data sheet[A].2002.
[7] 高士友，胡學深，杜興莉，等.基于FPGA的DDS信號發生器設計[J].現代電子技術，2009(16)：35-40.