基于DDS技术的多功能信号源设计

2018-10-19毛群

西昌学院学报（自然科学版） 2018年3期

毛群

（阿坝师范学院电子信息与自动化学院，四川汶川 623002）

0 引言

在通信、自动化或电测系统领域，如特种电源，电机控制等变频驱动中常用到高精度变频三相正弦信号源，同时，为适应不断变换的使用环境和对象，对信号源多功能性、稳定性及扩展性等方面也有更多需求。传统信号源设计常用模拟电路实现，模拟硬件对环境影响敏感，输出信号稳定性较差、频率范围小、扩展性差。近年来，信号源设计多采用DDS专用芯片加单片机等微处理器方案实现三相正弦信号输出[1-3]，但其灵活性和可升级换代性能相对较差，本文在此基础上进一步改进，利用直接数字频率合成(Digital Frequeney Synthesis,DDS)[5，6]及 EDA 技术[7，8]，采用自顶向下方法，以高性能数字器件FPGA芯片作为主要硬件资源设计多功能三相信号源[9，10]。

1 DDS技术基本原理分析

DDS技术理论基础是依据取样定理，对连续时间信号进行抽样量化，得到一个与频率相对应的相位序列，以此寻址，得到幅度序列，经数模转换获取模拟信号输出。结构如图1所示。

图1 DDS基本电路结构

DDS由参考时钟源，频率控制字，相位控制字，相位累加器，查询表、DA转换器和LPF构成[11-12]。参考时钟由高稳定度晶体振荡器或时钟源产生，作用是控制DDS各组成电路同步协调工作；相位累加器由加法器和相位寄存器组成，相位累加器是DDS系统中最重要的，其类似一个计数器，在参考时钟控制下，对频率控制字进行连续线性相位累加，合成信号的相位即相位累加器输出数据，DDS输出信号频率即相位累加器溢出频率；正弦查询表是一个可编程只读存储器，用于存储一周期的波形幅值；相位控制字控制输出信号初始相位，把相位控制字和相位累加器求和数据作为地址对正弦查询表寻址，查询表把输入地址相位信息对应到波形信号幅度上，从查询表得到代表波形信号幅值的离散量化值，经数模转换和低通滤波器（LPF）滤波，得波形信号[13]，故DDS是以数控振荡器方式产生频率、相位可调波形的一种信号合成技术。

2 信号源系统设计

信号源系统设计以FPGA为核心[14]，如图2所示。系统设计指标：（1）产生同步输出相差120°三路正弦信号；（2）三相正弦信号频率范围50～1 KHz，频率可调；相位差不随频率变化发生明显变化；（3）语音信号频率300 Hz,载波频率100 K，调制度0.5,输出AM调制波形；（4）能实现FM调制、ASK调制。

图2 系统组成框图

2.1 三相正弦信号FPGA设计

2.1.1 系统时钟设计

系统时钟50 MHz，利用计数器分频获得8 Hz，1 KHz，1 MHz三个时钟信号，分别用于扫描按键输入、数码管动态扫描和控制DDS系统工作。

2.1.2 相位累加器设计

改变ROM的地址即可输出对应波形信号，信号频率计算如DDS方程（1）所示

式中fout输出频率，fc采样时钟，N相位累加器位数，K频率控制字。根据要求：欲三相正弦信号输出频率范围50～1 KHz，累加器按步进为1(频率控制字K=1)累加直至溢出一遍频率即为频率步进值[5]，也是输出信号最低频率，当N取16，最小输出频率可达15 Hz，满足系统最低输出50 Hz要求，由输出频率达到1 KHz，可得三相正弦信号最大频率字输入K=66，为使输出波形不失真，频率控制字位宽取7位，高位添0，加法器为16位[6]，本设计中存储器深度256字,地址线和输出数据线均8位，取相位地址输出高8位寻址，舍低位，相位累加器位宽取16位，时钟控制下对频率控制字累加，相位累加器累加结果高8位作为正弦ROM地址。

2.1.3 三相相位控制器设计

由DDS原理，改变相位控制字可控制信号相位偏移，因此通过相位控制字模块设计实现三个正弦波初始值设置。欲实现相差120°三相正弦信号，原理同单相，只需增加两个具有固定相偏的相位控制加法器控制基准信号外的两路信号初始相位，及三个波形数据存储器[7]，利用相位控制字设置三个正弦波初始值。相位偏移公式见式(2)。