DDS信号发生器

王洪

摘 要：本系统基于DDS信号源的工作原理，以单片机8051为控制核心，采用CPLD“EPC570”并联合硬件描述语言作为系统的硬件组合，利用双口RAM“IDT7132”来存储数据，用DAC0800来将RAM中存储的数据转化为模拟信号，用DAC0832来提供基准电压，从而实现了在1Hz到1MHz的频率范围内正弦信号的无失真输出，输出采用椭圆滤波器进行滤波以提高输出信号的精确性，输出的峰—峰值在0到5V内可调。

关键词：DDS信号发生器；系统设计；正弦信号

1 方案论证与选择

所设计的系统可以输出且存储较宽频带且频率稳定度做够高的正弦信号（也包括方波和三角波），并且可以用键盘来实现三者之间转换。

1.1 正弦信号的产生

直接数字频率合成（DDS）方案。其主要组成为：相位累加器、波形存储器、D/A 转换器和低通。直接数字频率合成DDS是正弦信号产生的方式之一，在具体实施该方法的过程中，伴随着时钟脉冲的输入相应相位累加器将会输出一定增量值，与此同时在波形储存器中存有一份函数查询表，而这份函数查询表将针对各种相位码所呈现出的不同幅度进行编码并输出。同时相位进步量取决于频率控制字k，通过相位累加器所输出的数值对波形储存器展开寻址，促使波形储存器对相应幅度进行编码。最后，波形储存器所输出的编码需要通过滤波器滤波、数模转换从而顺利获取所需频率信号。

DDS所形成的频率信号具有高精度、高纯度等特点。

1.2 存储器模块

DDS所采用的存储器是RAM，随机存储数据，具有实现简单、方便的优势。若是将RAM直接挂在系统总线上，将会出现总线冲突的问题，所以，DDS通常采用双口RAM，可以避免系统总线的隔离。它拥有左右两种完全一致的I/O口，包含了两套地址总线、两套控制总线、两套数据总线，同时还具备一套竞争仲裁电路，能够凭借左右两边任一组I/O完成全异步的存储器读写操作。这样能够有效降低CPLD与单片机之间的通讯，降低了单片机的资源耗损，保证了系统的安全性和可靠性。

输出模块若要有效实现幅度控制与数模转换功能，则需要相应的后级处理模块，其中滤除主要通过采集样点时所产生的高次谐波分量及DAC所形成的高频分量，维持所输出波形的稳定性有效保证其平滑且不失真。

（1）针对系统的后级滤波部分进行分析。系统的后级滤波部分主要采用的是二阶巴特沃兹滤波器。即使相应的幅度函数，呈现出单调下降发展趋势，但其仍然能够实现幅度滤波的平坦度最大显示。信号发生器形成并输出的波形与预设计的输出波形频率存在巨大差距，其原因主要归结为D/A转换过程中所形成的高频分量噪声所致。虽然是单调下降的，相对而言，巴特沃兹滤波器的衰减陡度远不及其能够实现最大平坦度滤波重要而且更为符合实际情况。针对巴特沃兹滤波器来讲，椭圆滤波器具有幅值影响在阻带及通带内都属于等波纹，并且针对已设定的波纹及阶数要求，椭圆滤波器能够有效获取比其他任何一种滤波器更窄的过渡带宽等突出优势。

（2）针对系统幅度控制部分进行分析。幅度控制部分及数模转换部分均选用双D/A技术，并通过单片机进行控制，首级D/A所输出的波形主要作为二级D/A波形的基准电压源，如此有效对信号发生器所输出的相应电压幅度进行控制。该方法与其他方法相对比所呈现的优势在于，该方法电路相对更简单、明了，且仅凭计算机软件即能实现对其高强度控制的目的。

2 系统设计

各模块具体实现与分析

（1）单片机控制模块。作为系统的控制中心，单片机具有以下的功能：首先是单片机可以对LCD显示输入信息进行控制，从而有效完成功能选择及按键识别的控制；其次，单片机能够与CPLD进行有机结合，有效实现直接频率的合成。不仅如此，单片机还能够为CPLD提供控制端口，选择及控制CPLD内部，从而进一步实现读取双口RAM内存储数据的目的；另一方面，单片机还可以与两片D/A连接，有效控制D/A。

遵循DDFS理论，考虑要达到的要求，选取晶振频率为4.000MHz，理论上所输出的频率步进是0.25Hz。

单片机在等待按键的过程中即默认状态时不输出，在不同的按键指令下，系统输出不同的波形。

（2）针对CPLD内部设计的分析。CPLD内部设计的原理在于，在其内部构建适于DDFS的相位累加器。同时，在双口RAM与单片机通信过程中，P0口不仅能够提供低八位地址，同时还能满足所需锁存器同时在CPLD内部实现的要求，有效减少了硬件安装。

单片机的P2.4， P2.5， P2.6， P2.7为CPLD提供控制信号，同时还为频率选择字提供地址。另外，因为P2.3、P2.2、P2.4分别是RAM、LCD、DAC0832的片选信号，同时还设定由P0口根据P2.1、P2.2口的不同组合，根据不同时段提供相应数据，并按一定规律有效组合成累加器所需要的二十四位输入数据。为了保证时序的稳定性、规律性、准确性，还需要在单片机WR端中为相应低电频率输入数据。

（3）键盘模块的设置。键盘上各键的功能：键盘上的数字键，顾名思义就是输入数值。按下‘Reset键是表示复位，单片机状态回到开始状态；按下‘enter键表示确定；按下Am+键表示幅度加；按下Am-键表示幅度减；按一下波形鍵输出为正弦波，再按一下输出为方波，再按一下输出为三角波，再按一下输出为正弦波，如此循环。

按下‘FRE键表示准备改变频率，即按下‘FRE键后，在按数字键所要变成的频率值，即可将频率改变成相应的频率值。

（4）后级滤波模块的设计。在后级滤波模块找那个，鉴于椭圆滤波器的种种优点，我们采用5阶椭圆滤波器。

3 相关理论的分析和计算

所输出波形的频率以及相应分辨率。预设参考晶振（频率源）的频率为，选用计数容量作为相位累加器（既相位累加器位数），频率控制字为位，则：

由DDS系统所输出的信号频率为：

频率分辨率为：

在此过程中，主要选择4M晶振，二十四位频率控制字，二十四位相位累加器。

从理论层面来看，通过抽样定理可以明确，在保证不失真前提下最大限度步进可以取，最小时为1，那么：

相应所输出的频率为：

频率分辨率为：

参考文献：

[1]黄根春，陈小桥，张望先编著.电子设计教程[S].电子工业出版社.

[2]黄智伟主编.全国大学生电子设计竞赛训练教程[S].电子工业出版社.

[3]【美】Samir Palnitkar.Verilog HDL数字设计与综合[M].电子工业出版社.