基于FPGA的DDS设计与实现
基于FPGA的DDS设计与实现
摘要：本文在理论上对直接数字频率合成（directdigitalsynthesizer）的原理及其输出信号的性能进行了分析，用台湾友晶公司的de2开发板设计完成了dds产生正弦波的软硬件调试。
正弦波输出为23.84hz至1562500hz，精度为23.84hz，相位0至360度，精度小于0.1度。
关键词：相位累加器；相位调制器；dds；fpga
中图分类号：tn741 文献标识码：a 文章编号：1674-7712 （2013）04-0093-01
频率合成技术广泛应用于通信、航空航天、仪器仪表等领域。
目前，常用的频率合成技术有直接频率合成、锁相频率合成和直接数字频率合成（dds）等。
其中dds是一种新的频率合成方法，是频率合成的一次革命。
一、dds的组成及其原理
dds是一种全数字的频率合成方法，其基本结构主要由相位累加器、相位调制器、波形存储rom、d/a转换器组成，如图1所示。
相位累加器由一个n位的加法器和一个n位的寄存器构成，通过把上一个时钟的累加结果反馈回加法器的输入端而实现累加功能。
k为频率控制字，p为相位控制字。
设fc为参考时钟频率，n为相位累加器的字长。
正弦波在相位上的精度定为n位，于是频率分辨率为1/2n。
可以得到dds方程为，其中f0是输出频率。
当k=1时，输出最低频率。
而dds理论上的最大输出频率由奈奎斯特采样
定律决定，即，此时k=2n-1。
只要n取值很大，dds就可得到很细的频率间隔。
但d/a转换器的位数是一定的，一个周期分为2n
个点，如果n取值很大，在波形rom中存储了很多相同幅值的点，这样没有必要。
假设d/a转换器的位数是n，波形存储器的地址位数是m，而正弦函数的最大斜率是1，必须保证此处的水平分辨率大于垂直频率，有如下关系：，对于n和m都为正整数，可得m=n+2。
同时采用截断式用法，取相位累加器的高m位，以减少波形rom的容量。
dds技术把需要的波形数据存储到波形查找表中，就可按需要产生不同的信号，既可产生正弦波，又可产生任意波形的信号，这使dds技术在需要特殊波形的领域得到了极大的应用。
二、dds的软硬件实现及外围电路
本文dds设计基于台湾友晶公司的de2开发板，其核心芯片为altera公司的cycloneii的ep35672c6芯片，设计软件为quartusii。
dds设计中，输出为正弦波。
频率控制字k是由一个8位的开关输入经过处理输出为27位的频率控制字，其变化范围为2047至227-1，步进为2047。
最低输出频率和频率精度均为23.84hz，最高输出频率为1562500hz。
相位控制字为12位的开关输入，可调节相位0至360度变化，相位精度小于0.1度。
系统的顶层设计如图4所示，加法器add32和寄存器reg32构成了相位累加器，加法器add12和寄存器reg12构成了相位调制器。
选择器mux和乘法器mult为了产生一个大的频率控制字k，mult
的输出为频率控制字k，mux的8位输入端f[7..0]和相位控制字
p[11..0]字由de2开发板开关直接输入，时钟频率50mhz。
波形存储器sin_rom的输出和d/a转换器相连。
sin_rom的波形数据文件用matlab生成。
其外围d/a电路采用并行10位的dac900u芯片，d/a以及lpf所用到的运放均采用ti公司的ad817。
本文设计完成了dds产生正弦波的软硬件调试，输出正弦波频率、相位特性满足设计要求，输出正弦波波形稳定，失真度小。
由于篇幅有限不另附d/a、plf的电路图及正弦波调试波形图。
参考文献：
[1]王金明.数字系统设计与veriloghdl（第4版）[m].北京：电子工业出版社，2011，1.
[2]夏宇闻.verilog数字系统设计教程（第2版）[m].北京：北京航空航天大学出版社，2008，6.
[3]杨春玲.eda技术与实验[m].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2009.4.
[作者简介]白玉（1981.10-），男，黑龙江省嫩江人，黑龙江省黑河学院物理化学系，硕士，讲师，研究方向：自动控制。
基于fpga的dds正弦信号发生器的设计和实现
基于FPGA的DDS正弦信号发生器的设计和实现引言在电子领域中，正弦信号是一种重要的基础信号，被广泛应用于通信、音频、视频等各个领域。
而DDS（Direct Digital Synthesis）直接数字合成技术则是一种通过数字方式生成高精度、高稳定性的正弦波信号的方法。
本文将详细介绍基于FPGA的DDS正弦信号发生器的设计和实现。
设计目标本次设计旨在实现一个可配置频率范围广泛且精度高的DDS正弦信号发生器。
具体设计目标如下： 1. 实现频率范围可调节，覆盖从几Hz到数十MHz； 2. 提供高精度的频率控制，满足特定应用场景对频率稳定性和相位精度的要求； 3. 支持模数转换器（DAC）输出，并能够通过外部接口控制输出幅值； 4. 使用FPGA作为主要硬件平台，以满足高速计算和灵活配置需求。
系统架构基于FPGA的DDS正弦信号发生器主要由以下几个部分组成： 1. 数字控制模块（Digital Control Module）：负责接收外部输入的频率、相位和幅值等参数，并将其转换为对DDS核心模块的控制信号； 2. DDS核心模块（DDS Core Module）：根据接收到的控制信号，通过数学运算生成正弦波形的离散采样值； 3. 数字模拟转换模块（Digital-to-Analog Converter, DAC）：将DDS核心模块输出的数字采样值转换为模拟电压信号； 4. 输出放大器（Amplifier）：用于放大DAC输出的电压信号，并通过外部接口提供可调节幅值的正弦波输出。
DDS核心模块设计DDS核心模块是整个系统中最关键的部分，它负责根据输入参数生成正弦波的离散采样值。
下面是DDS核心模块设计中需要考虑的几个关键要素：相位累加器相位累加器是DDS核心模块中最基础且重要的组件之一。
它根据输入的频率和时钟信号，在每个时钟周期内累加相位增量，从而实现相位连续变化。
相位累加器可以使用一个定点数或浮点数寄存器来表示，并通过固定步长进行相位递增。
基于dds技术的模拟频率调制电路设计及fpga实现
基于dds技术的模拟频率调制电路设计及fpga实现DDS技术是一种数字信号处理技术，它可以实现高精度、高速度的频率合成和调制。
基于DDS技术的模拟频率调制电路设计及FPGA实现，可以实现高精度、高速度的模拟信号调制，具有广泛的应用前景。
一、基于DDS技术的模拟频率调制电路设计1. DDS技术原理DDS技术是一种数字信号处理技术，它通过数字信号处理器（DSP）或FPGA实现对数字信号的频率合成和调制。
DDS技术的核心是相位累加器和数字控制振荡器（NCO），相位累加器用于累加相位，NCO 用于产生数字信号。
DDS技术的优点是可以实现高精度、高速度的频率合成和调制，同时可以实现频率和相位的任意调制。
2. 模拟频率调制电路设计基于DDS技术的模拟频率调制电路设计，需要实现以下几个模块：（1）数字控制振荡器（NCO）模块：用于产生数字信号，可以通过改变NCO的频率和相位实现数字信号的频率和相位调制。
（2）数字信号处理器（DSP）模块：用于对输入信号进行数字信号处理，包括滤波、采样、量化等。
（3）模拟信号输出模块：用于将数字信号转换为模拟信号输出。
3. 模拟频率调制电路设计流程（1）确定调制信号的频率范围和精度要求。
（2）设计数字控制振荡器（NCO）模块，确定NCO的频率和相位控制方式。
（3）设计数字信号处理器（DSP）模块，包括滤波、采样、量化等。
（4）设计模拟信号输出模块，将数字信号转换为模拟信号输出。
（5）进行电路仿真和调试，优化电路性能。
二、基于DDS技术的模拟频率调制电路FPGA实现1. FPGA技术原理FPGA是一种可编程逻辑器件，可以实现数字电路的设计和实现。
FPGA的核心是可编程逻辑单元（PLU）和可编程互连网络（PCN），PLU用于实现逻辑功能，PCN用于实现逻辑单元之间的连接。
2. 模拟频率调制电路FPGA实现基于DDS技术的模拟频率调制电路FPGA实现，需要实现以下几个模块：（1）数字控制振荡器（NCO）模块：用于产生数字信号，可以通过FPGA实现NCO的频率和相位控制。
基于FPGA与DDS的信号源设计与实现.
基于FPGA与DDS的信号源设计与实现基于FPGA与DDS的信号源设计与实现类别：电子综合目前，大多通信设备都是针对某一种或少量几种固定的通信体制、信号调制样式以及信号特征参数，例如GSM移动通信信号只有GMSK一种调制样式，其调制速率为22.8 Kbit/s，因此这类通信设备中的数字信号激励器或数字波形形成电路大多采用专用集成芯片实现。
而本文设计了一个通用的数字信号激励器，以产生所需要的各种信号调制模式的信号波形，且对每一种调制样式信号的各种特征参数能够灵活控制。
1 数学模型为了保证高性能以及灵活性，现代通信对抗干扰设备通常采用FPGA+DAC的工作模式,在一些快速复杂的应用环境下，则可采用高性能的FPGA和DSP协同工作，作为数字干扰激励器的核心，同时为保证对跳频信号或其他快速通信信号的有效干扰，频综模块通常采用DDS的频率快速合成模式。
其干扰信号产生原理可以由式(1)表示：在FPGA 中利用数字方式合成数字激励源，通过一定形式的低通滤波器或脉冲成型滤波器即可得到数字基带信号sI (n)、sQ(n)。
数字基带信号sI (n)、sQ(n)通过DAC变换为模拟基带信号sI (t)、sQ(t)，再通过上变频模块即可实现干扰信号的上变频调制。
在FPGA 中，cos(ωn)、sin(ωn)可由查找表(LUT) 的方式生成，即DDS 频率合成方式。
在现代FPGA 开发中，通常会提供一些较成熟的IP 核，因此也可以直接调用IP 核来实现在FPGA 中正弦信号的产生，其原理也是通过查找表的方式生成。
在产生正弦信号时，查找表即为一个ROM 块，通常其中存储了一个周期的正弦信号，通过对读取地址按一定步进循环取值即可产生相应的正弦信号。
查找表的存储深度和FPGA 的工作时钟决定了可以产生的正弦信号频率范围。
(1) 单音信号单音信号可以按式(2) 产生：s(t)=cos(ωt)cos(ωct)+sin(ωt)sin(ωct)=cos((ω+ωc)t) (2) 其中，sI (t)=cos(ωt)、sQ(t)=sin(ωt) 分别为I 、Q 路基带模拟信号，当ω=0 时，I 、Q 路基带模拟信号退化为直流，此时, 干扰信号即为信号载波。
基于fpga的dds正弦信号发生器的设计和实现
基于fpga的dds正弦信号发生器的设计和实现
基于FPGA的DDS正弦信号发生器可以使用数字信号处理技术实现。
下面是一个基本的设计和实现步骤：
1. 确定系统需求：首先，确定所需的输出信号频率范围、分辨率和采样率等系统参数。
这些参数可以根据实际应用来确定。
2. 设计正弦表：根据系统需求，设计一个包含所需频率范围内所有可能的正弦波的正弦表。
可以使用固定小数点表示法来表示正弦表中的采样值。
3. 设计相位累加器：使用一个32位计数器作为相位累加器，其计数速度由所需的输出信号频率和FPGA时钟频率决定。
每个时钟周期，计数器值自动增加到下一个相位值。
4. 选择相位值：使用相位累加器的值在正弦表中查找对应的相位值，并将其作为输出信号的采样值。
5. 数字输出：将采样值经过DAC（数字模拟转换器）转换为模拟信号，并将其输出。
6. 配置FPGA：将设计好的数字电路加载到FPGA芯片中，并配置FPGA内部的寄存器、时钟和IO管脚等。
7. 测试和调试：对设计好的系统进行测试和调试，确保输出信号的频率、精确度和稳定性符合要求。
这是一个基本的设计和实现步骤，具体的实现方法和细节可能因FPGA型号、工具和应用需求而异。
在实际应用中，还可以加入滤波器、幅度控制、相位调制等功能以满足更多需求。
基于FPGA的DDS信号发生器设计
基于FPGA的DDS信号发生器设计随着数字信号处理（DSP）技术的发展，直接数字频率合成器（DDS）逐渐取代了传统的频率合成器，成为一种高性能的信号发生器。
DDS信号发生器通过数字信号直接产生模拟信号，具有频率精度高、可编程性强和快速调频等优点。
本文将通过FPGA实现DDS信号发生器的设计。
首先，我们需要了解DDS信号发生器的基本原理。
DDS信号发生器的核心是相位累加器、查找表和数模转换器（DAC）。
通过累加器产生相位累积，将相位累积的结果通过查找表得到对应的振幅值，并经过数模转换器输出模拟信号。
1.确定需要生成的信号的参数，包括输出频率、相位步进精度、振幅等。
根据这些参数，计算累加器的增量值，即每个时钟周期累加器需要累加的值。
2.在FPGA中设计相位累加器。
相位累加器的宽度取决于相位步进精度，一般为32位或64位。
通过在每个时钟周期加上增量值，实现相位的累加。
3.设计查找表。
查找表的大小取决于数字信号的分辨率，一般为2^N 位。
通过输入相位值查找对应的振幅值。
4.设计数模转换器（DAC）。
通过DAC将数字信号转换为模拟信号输出。
5.在FPGA中实现控制逻辑，包括控制相位累加器和查找表的读写操作，使其按照设定的参数进行相位累加和振幅输出。
6.将设计好的FPGA模块进行综合、布局和时序约束，生成比特流文件。
通过以上步骤，基于FPGA的DDS信号发生器的设计就完成了。
设计好的FPGA模块可以实现高精度、高稳定性的信号发生器，广泛应用于通信、雷达、医疗设备等领域。
需要注意的是，在设计过程中需要考虑到FPGA的资源限制，包括LUT资源的利用、频率分辨率和输出频率的限制等。
此外，还可以通过增加相位累积周期、使用多路查找表和多路DAC等方法进一步优化设计。
综上所述，基于FPGA的DDS信号发生器设计是一个较为复杂的过程，需要对DDS原理有深入的理解，并结合FPGA的特点进行设计。
通过合理的设计和优化，可以实现高性能的DDS信号发生器。
基于FPGA的两种DDS实现
基于FPGA的两种DDS实现直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）是一种基于数字信号处理的频率合成方法，通过将一个连续的幅度和相位可调的数字信号与一个时钟信号相乘，可以产生高精度的频率信号。
在FPGA（Field Programmable Gate Array）中，DDS可以通过数字逻辑实现。
本文将介绍两种基于FPGA的DDS实现方法。
LUT是FPGA中常用的存储组件，可以用于存储预先生成的数字信号样本。
基于LUT的DDS实现方法是将一个固定的正弦波样本表存储在LUT 中，然后通过改变LUT的读指针位置来产生不同频率的正弦波信号。
具体实现步骤如下：1)根据需要生成的信号频率，计算出每一个时钟周期对应的读指针步进量，即相位步进量。
2)初始化读指针位置为0，以时钟信号为基准，每一个时钟周期将读指针位置加上相位步进量。
3)将读指针位置作为索引，从LUT中读取相应的正弦波样本值。
4)将读取到的正弦波样本值输出为DDS的输出信号。
基于LUT的DDS实现有以下优点：-简单易于实现，适合低频率应用。
-输出信号的频率可精确控制，具有较高的频率精度。
-可以通过修改LUT中的正弦波表，实现不同幅度和相位的输出信号。
另一种常见的DDS实现方法是基于相位累加器。
相位累加器是一个用于存储和计算相位信息的寄存器，通过不断累加相位步进量来产生不同频率的输出信号。
具体实现步骤如下：1)根据需要生成的信号频率，计算出每一个时钟周期对应的相位步进量。
2)初始化相位累加器为0，在每一个时钟周期将相位步进量加到累加器中。
3)将相位累加器的高位作为正弦波LUT的读指针，将读取到的正弦波样本值输出为DDS的输出信号。
基于相位累加器的DDS实现有以下优点：-输出信号的频率可精确控制，具有较高的频率精度。
-可以通过修改相位步进量，实现不同频率的输出信号。
-相位累加器可以很容易地实现相位调制和频率调制等功能，具有较高的灵活性。
基于FPGA的DDS的设计和实现[1]
９４相位寄存器的输出与相位控制字相加，结果作为正弦查找表的地址。
查找表由ＲＯＭ构成，其内部存有一个完整周期正弦波的数字幅度信息，每个查找表的地址对应正弦波中的一个相位点。
查找表把输入地址信息映射成正弦波幅度信号，同时输出到Ｄ／Ａ转换器的输入端，通过Ｄ／Ａ可将数字量形式的波形幅值转换成所要求的合成频率模拟量形式信号。
低通滤波器用于衰减和滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。
２基于ＦＰＧＡ 的ＤＤＳ 设计随着微电子技术的发展，现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ） 器件得到了飞速发展。
由于该器件具有工作速度快，集成度高和现场可编程等优点，因而在数字信号处理中得到了广泛应用。
本设计采用的器件是Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＬＥＸ ＥＰＦ１０Ｋ４０。
它的典型门数为４００００门，逻辑单元有２３０４个，逻辑阵列块有２００个，嵌入系统块有８个，因此，可完全符合使用单片来实现ＤＤＳ电路的基本要求。
选用的设计工具为Ａｌｔｅｒａ公司的设计工具ＭＡＸ＋ｐｌｕｓⅡ。
ＦＬＥＸ１０Ｋ是工业界第一个嵌入式可编程逻辑器件，采用可重构的ＣＭＯＳ ＳＲＡＭ工艺，把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时也结合了众多可编程器件的优点来完成普通门阵列的宏功能，它具有以下特点：（１）高密度：１￣２５万个可用门。
高达４０９６０位内部ＲＡＭ（每个ＥＡＢ有２０４８位），所有这些都可在不减少逻辑能力的情况下使用。
（２）系统级特点：支持多电压接口；低功耗（维持状态小于０．５ｍＡ） ；遵守ＰＣＩ总线规定；内带ＪＴＡＧ边界扫描测试电路。
（３）灵活的内部连接：快速、可预测连线延时的快速通道连续式布线结构；实现快速加法器、计数器和比较器的专用进位链；实现高速、多输入逻辑函数的专用级联链；实现内部三态总线的三态模拟；多达六个全局时钟信号和四个全局清除信号。
在使用ＦＰＧＡ设计ＤＤＳ电路时，相位累加器是决定ＤＤＳ性能的一个关键部分。
本设计中定义累加器位数为１０，如果使用传统的加法器设计结构，速度有可能达不到设计要求，不适应在实际情况中使系统工作在尽可能高的频率上。
基于FPGA的并行DDS信号发生器的设计与实现
频率控制 字 Fcw
系统时钟 Fclk
N
N 位相位 累加器
M 波形储 D
器 ROM
DAC
低通滤 波器
LPF
图 1 DDS 基本结构
收稿日期：2010-08-10；修订日期：2010-10-08。 作者简介：邓岳平 (1984－)，男，浙江建德人，硕士研究生，研究方向为嵌入式应用技术； 肖铁军 (1963－)，男，江苏徐州人，教授，硕士生 导师，研究方向为嵌入式计算及系统、可重构计算、远程实验。E-mail：dengyueping@
Abstract：Aimed at the bottleneck problem of the speed of DDS caused by accumulate rate of phase accumulator and ROM’s reading access speed, the structure of DDS circuit is improved by using the method of combining multi-channel parallel with pipeline, which effectively extends the bandwidth of DDS. Signal generator based on dual DDS structure is designed in an FPGA, through digital method different standard waves and its modulation signals are implemented in double channels. This design scheme has simple structure, and is easy to control. The experimental results show that the signal generator can produce stable, high bandwidth, high speed and high precision signal waves. Key words：signal generator; FPGA; dual DDS; multi-channel parallel; pipeline; modulation
基于FPGA的DDS直接数字频率合成器设计与实现
图 ５
期只采样 ２点，难 以保证输出精度 。为了保证输 出精度 ，规 定最低每 周期采样 ８ 点，此时 Ｋ ２／ ＝ ２ ，则 ：ｆ ＝ ＝ ８ １８ … Ｋ×
ｆ／ １ ． ２ Ｈ ｃ２＝ ６ ５ Ｍ ｚ ５
（ ）最 小步长的正弦波 （ ６ １ 图 ）
频 率 控 制 字 ： ００ ０ ０ ０ ００００１ 相 位 控 制 字 ： ００ ０ ０ ０ ０００００
ｒ — Ｖ ｖ＼ １ ／ 厂 八 八八 ／ ／ ＾厂 ｒ ｕ 厂 九 ＼ ＾＼ 、
图７
仿 真测得正弦波频率为：２ ２ ． ８ ８ ７ ｓ２ ．６ ｓ ／（ ０ ３ ７６ ｕ 一 ０ ２ ｕ ）≈ １． ４ ３ Ｈ ，与计算参 数相 近，误差来 自于仿真测量时的显 ５ ６ １Ｍ ｚ
２ 波形存储 ．
本设计 中波形存储 为连续存储 ，对正 弦波进行采样 利用 Ｏ ａ ｔｓ制造 一个 Ｒ Ｍ ，进 行 查值 操 作 ， 波 形 的 存 储 方 法 ｕｒ ｕ Ｏ表 在 上可 以有两种 方案 ，一个是对正弦波从 ０到 ２ 进行采样 ，在 兀 这 次 设计 和 以上 的 参 数 选 取 上 均 基 于 这 种 方 案 ，这 个 方 案 的
示 误差 。
正弦波幅值的获得 ，可通过 Ｃ语言编程得到，将 Ｃ程序
所 得 结 果 导 出 到一 个 文 件 中 便 可 得 到 正 弦波 幅 值 。 ３ 系 统 设计 ． 由波 形 存 储 模 式 ，设 计 系统 模 型 框 图 ４ ：
（ ）最 大 步 长 的 正 弦波 （ ７ ２ 图 ） 频 率 控 制 字 ： ０ １０ ０ ０ ０００００ 相 位 控 制 字 ：０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ００
优 点 是 实现 简 单 ，思 路 清 晰 ；另一 种 方 案 是 对 正 弦波 从 ０到
基于FPGA的DDS信号发生器设计
基于FPGA的DDS信号发生器设计随着现代科技的不断发展，数字信号发生器（DDS）已成为各种电子设备中常用的一种功能模块。
使用DDS技术可以生成高质量、高稳定性的各种频率和波形的信号。
而FPGA（Field Programmable Gate Array）作为一种可编程逻辑器件，具有高集成度、高速度和灵活性等优势，逐渐成为了实现DDS信号发生器的主要选择之一一、DDS技术概述DDS（Direct Digital Synthesis）技术是一种基于数字直接合成的方法，通过计算机算法精确地合成期望的波形。
它的工作原理是将时钟信号分频得到一系列的离散相位值，再通过查表和插值的方法得到对应的幅值，最后通过一个DAC（Digital to Analog Converter）将数字信号转换为模拟信号输出。
二、基于FPGA的DDS信号发生器设计步骤1.系统架构设计根据DDS信号发生器的要求，确定所需的系统架构。
一般包括时钟模块、相位累加器、查找表、插值器、DAC和控制逻辑等模块。
2.时钟模块使用FPGA内部的资源或外部时钟源生成所需的系统时钟信号。
可以通过时钟分频和PLL（Phase-Locked Loop）锁相环技术来实现对系统时钟的精确控制。
3.相位累加器利用FPGA的寄存器或分频模块实现相位累加功能。
通过周期性地累加相位增量，可以得到DDS信号的相位。
4.查找表利用FPGA内部的RAM（Random Access Memory）存储相位对应的幅值。
根据相位的大小来查找对应的幅值，存储在RAM中。
5.插值器可以通过线性插值或差值的方法对相位查找表的输出进行插值，以提高输出信号的精度和稳定性。
6.DAC将插值器输出的数字信号转换为模拟信号，通过FPGA的IO端口或专用的DAC芯片输出到外部电路。
7.控制逻辑设计合适的控制逻辑，可以通过外部接口或FPGA内部的控制模块来控制DDS信号发生器的频率、幅值、相位偏移等参数。