基于FPGA的DDS信号发生器设计

摘要：利用FPGA芯片及D/A转换器，采用直接数字频率合成技术，设计并实现了一个频率、幅值可调的信号发生器，同时阐述了该信号发生器的工作原理、电路结构及设计思路。经过电路调试，输出波形达到技术要求，证明了该信号发生器的有效性和可靠性。

0 引言

信号发生器作为一种基本电子设备广泛的应用于教学、科研中，因此从理论到工程对信号的发生进行深入研究，有着积极的意义。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。本文研究了基于FPGA的DDS信号发生器设计，实现了满足预定指标的多波形输出。可产生不同频率、幅度的正弦波、三角波、矩形波信号，仿真和实测结果均证实了其灵活性和可靠性。

1 函数信号发生器的原理和设计

1.1 函数信号发生器的结构

图1为DDS信号发生器系统结构框图。系统以FPGA芯片为信息处理核心，主要完成数字频率合成、D/A转换、选择滤波、功率放大、LCD显示等功能。

频率控制字M送入32位的累加器进行累加运算，截取32位累加器的第24到第30位作为ROM的地址，ROM在累加器的控制下，输出8位的数字波形数据，经过DAC0832转换为模拟量，因为DAC0832输出的是电流的形式，所以通过电压转电流电路转换为电压形式的模拟波形，但其中还含有大量的高频成分，为了输出频率纯净的信号波形，再通过一个二阶的有源低通滤波器。最后为了调节输出信号的峰峰值，再引入一个幅度调节电路。

根据直接数字频率合成理论将系统的频率分辨率及输出频率写为：

其中fclk和N为系统时钟和位宽，M为频率控制字，利用信号相位与时间成线性关系的特性，直接对所需信号进行抽样、量化和映射，输出频率可调的信号波形。每个时钟周期内，由频率控制字M决定相位增量的大小以控制输出频率。由式子可以看出和N也关系着D/A转换的频率，位宽N越大、时钟fclk越低，分辨率越高，但系统时钟变低，也会

降低最大的输出频率，fclk以及一个周期波形的采样数值的输出个数。

1.2 数模转换电路

数模转换电路采用DAC0832，ADC0832是8位分辨率的倒T型电阻网络型D/A转换器。根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。本文使用的是直通的工作方式。DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。

DAC0832转换结果以电流形式输出。为了得到模拟电压信号，需要通过一个高输入阻抗的线性运算放大器。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。为了将DAC0832转换得到的模拟电流值转换为模拟的电压值，在ADC0832的输出端接了由运放NE5532构成的电流转电压电路，如图3所示。

NE5532是高性能低噪声双运算放大器(双运放)集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。

DAC0832的转换电流输出为：

1.3 二阶有源低通滤波器

二阶有源低通滤波器也采用运放NE5532，其截止频率设计为6KHz，函数信号发生器的输出最高频率是20KHz，根据实际调试中出现的情况：将低通滤波器的截止频率设计为6KHz时，输出的波形频率纯净，如果提高低通滤波器的截止频率，输出波形就会有高频成分，如果降低截止频率就会降低输出波形的最高频率。二阶有源低通滤波器如图4所示。

其特征频率为：

将R=1KΩ，C=10nF带入式5计算得f0=16KHz。二阶低通滤波器的通带截止频率为：fp=0.37fo，将带入计算得截止频率f0=16KHz，通带放大倍数为1。

为了实现输出波形的幅度可调，在函数信号发生器的输出端连接一个电压跟随器，并用一个滑动变阻器调节输出的波形峰值。幅度调接电路由运放NE5532构成，如图5所示。

2 DDS的Verilog实现

DDS程序流程图如图6所示，32位累加器对输出的频率控制字进行不断的累加，取32位累加器的的第24到第30位作为ROM的地址，根据32位累加器的第32位和第31位的值对ROM地址和ROM输出数据做如下处理：

1)第32位等于0且第31位等于0，则ROM地址和ROM输出数据不变;

2)第32位等于0且第31位等于1，则ROM地址取反但ROM输出数据不变;

3)第32位等于1且第31位等于0，则ROM地址不变但ROM输出数据取反;

4)第32位等于0且第31位等于0，则ROM地址取反和ROM输出数据也取反。

DDS输出正弦波的时序仿真波形如图7所示。第一个信号是100MHz系统时钟clk，第二个信号是复位信号rst_n，第三个信号是累加器add，第四个信号是累加器的高8位即ROM地址，第六个信号是ROM输出即波形数据。

3 硬件调试

该信号发生器可以输出一定功率的幅度、频率可调的正弦波、方波、三角波信号。该信号发生器输出波形的频率分辨率为1Hz、输出频率范围：1Hz-20kHz，输出电压范围：50mV-1V。

由于低通滤波器的电容对输出三角波和方波的充放电影响，输出三角波和方波的频率越高，影响越严重，导致输出的波形失真。经过测量，三角波的输出不失真的频率为5KHz左右，输出方波不失真的频率为2KHz左右。由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了散杂。其来源主要有三个：相位累加器相位舍入误差造成的散杂;幅度量化误差造成的散杂和DAC非理想特性造成的散杂。

函数信号发生器输出频率为1.3KHz的正弦波如图8所示，函数信号发生器输出频率为1.2KHz的三角波如图9所示，函数信号发生器输出频率为1.2KHz的方波如图10所示。

4 结论

本文介绍了基于FPGA的DDS信号发生器的设计，描述了其电路结构、工作原理、设计思路及实现方法，并按照技术要求进行计算、编程。经过仿真、电路测试，结果表明输出波形达到了设计指标的要求，可以作为稳定的信号源使用，也对DDS的原理和实现有了更深的了解和认识。