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DDS具有相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号等优点，已成为现代频率合成技术中的姣姣者。目前在高频领域中，专用DDS芯片在控制方式、频率控制等方面与系统的要求差距很大，利用FPGA来设计符合自己需要的DDS系统就是一个很好的解决方法。
现场可编程门阵列(FPGA)器件具有工作速度快、集成度高、可靠性高和现场可编程等优点，并且FPGA支持系统现场修改和调试，由此设计的DDS电路简单，性能稳定，也基本能满足绝大多数通信系统的使用要求。 1 DDS的结构原理 DDS的基本原理是利用有限的离散数据，通过查表法得到信号的幅值，通过数模转换器D／A后生成连续波。DDS的原理框图如图1所示。 其中：频率控制字为fword；相位累加器的位数为N。相位累加器以步长fword做累加，产生所需的频率控制数据；把得到的频率控制数据作为地址对ROM存储器进行寻址。数据存储器(ROM)实质是一个相位／幅度转换电路，ROM中存储二进制码表示所需合成信号的相位／幅度值，相位寄存器每寻址一次ROM，就输出一个相对应的信号相位／幅度值。 理想情况下，累加器的N位全部用来寻址时，DDS的合成频率为： 式中：fword为频率控制字；N为相位累加器位数；fclk为输入时钟。当fworld=1时，得DDS的最小分辨率。如果改变频率控制字，就可以改变合成的频率的频偏。 |
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2 DDS调频系统在FPGA中的实现
2．1 累加控制模块的设计 累加控制模块通过调用QuartusⅡ中模块化库LPM进行设计。即由加法器lpm_add_sub和乘法器lpm_mult及累加器altaccumulate模块构成。若要求DDS系统精度高，相位累加器的位数N须较大。现在大多数专用的DDS芯片的位数都在24～32位之间，这里取N=32。累加控制模块如图2所示。 ADC转换芯片处理后的8位数字信号，为了使DDS合成的频率较大，末尾补4个O作为参数化模块lpm_add_sub的12位输入datai。由于ADC信号输出的是8位二进制偏移码，与计算机处理的二进制补码形式不同，需将二进制偏移码转换成二进制补码，在这里与另一路输入信号常数2 048做减法，就能达到求补的目的，并输出12位有符号数。 12位的输出接入lpm_mult模块，lpm_mult的另一路输入为12位任意数输入。乘法器的输出直接影响累加器累加相位的速度。当乘以一个比较大的数，则频率变化加快。 同理，为了使合成频率较大，乘法器的24位输出在末尾补O成为32位数datab送到累加模块altaccumulate中。为了节省ROM容量，最后取altaccumulate输出的高10位作为ROM查找表的地址信号。累加控制模块的时序仿真如图3所示。 2．2 ROM查找表的设计 针对不同的可编程器件，ROM查找表的设计采用的方法也不相同。主要是基于lpm_rom和VHDL选择语句这两种方法。使用lpm_rom的波形存储表只需要产生数据文件*．mif，然后直接在定制lpm_rom时，添加数据文件即可。不过这种方法在FPGA支持内部嵌入式阵列块(EAB)时才可以使用；使用VHDL选择语句比较直观，但当输入数据量大的时候，这种方法是比较繁琐的。此次设计采用第一种方法。 mif文件是在编译和仿真过程中作为存储器(ROM或RAM)初始化输入的文件，即memory initialization file。创建mif文件的方式有很多种，在这次设计中，在Matlab中采用C语言来生成mif文件。mif文件编写格式如下： 通常相位累加器的位数N很大，实际设计中受到体积和成本的限制。为了节省ROM的容量采用相位截断的方法，一般只取累加器输出的高几位作为ROM的寻址地址。设计中取累加结果的高10(M=10)位来进行查表，也就是说正余弦ROM有210=1 024个寻址地址，数据宽度为12。如图4所示，设计了2个lpm_rom模块，分别是sin波形存储器和cos波形存储器。 3 单片机控制电路 此次选择的FPGA芯片为Altera公司的ACEXlK系列的EPlK30TTl44-2。它可以采用专用的配置器件来配置，也可以采用单片机来配置。前者价格昂贵，而且专用配置器件的ROM为一次性编程，不易实现FPGA的系统功能转换。采用单片机C8051F330D对FPGA进行被动串行(PS方式)配置，使用可多次修改的AT24C512(E2PROM)作为配置文件存储器，真正做到“现场可编程”，对提高生产率、降低生产成本均有好处。 系统的配置电路如图5所示。其电路的工作过程为：经QuartusⅡ编译生成的配置文件(．rbf)，利用PC机端的控制程序，通过PC机的串行通信口，经U1存储在U2中，U1再根据系统的要求通过P0．6，P1．O，P1．1，P1．6和P1．7等5个I／O口将其存储在U2中的配置数据下载到电路中的FPGA器件U3中。PC机的控制程序在此略。 |
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4 设计结果
累加控制器、ROM查找表组成一个整体，实现了一个基本的DDS系统。DDS系统的最后仿真结果如图6所示。 图6中的pllclk，acum，dai，daq分别代表时钟输入、累加输出及正弦波和余弦波输出。把O～2π的相位分成3FF段，取出相应的幅度值存储于ROM中。ROM中存储数据如下，相位数据(O～3FF)，幅度数据(O～FFF)。从仿真图可以看出dai[11．．O]输出从EFF～FFF～0～EFF变化，daq[11．．O]输出从FFF～O～FFF变化。最后通过单片机配置FPGA运行，把得出的信号通过D／A转换和滤波能够得到所需的正弦波和余弦波信号。 5 结语 给出了基于FPGA的DDS设计的实现方案。通过仿真分析可以看出，DDS输出信号具有如下特点： (1)频率稳定性好，转换时间短，分辨率高，相位变化连续。 (2)设计者只需要通过改变测试输入数据，就能够快速准确地实现不同波形并且验证正确性，使得测试工作更加全面高效，从而提高了调试效率和成功率。 (3)整个信号实现过程较为简单，实用性较强。 限于实验条件，此次设计在降低相位截断误差等方面仍有改进的空间，还可以进一步优化，限于篇幅，在此不多做介绍。 |
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基于采用FPGA控制MV-D1024E系列相机的图像采集系统设计
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