1 DDS概述
1．1 DDS基本原理
直接数字合成技术(Direet Digital Synthesis，简称DDS)是建立在采样定理基础上，首先对需要产生的波形进行采样，将采样值数字化后存入存储器作为查找表，然后通过查表读取数据，再经D／A转换器转换为模拟量，将保存的波形重新合成出来。DDS基本原理框图如图1所示。
由图l看出，除了滤波器(LPF)之外，DDS系统都是以数字集成电路实现，因此DDS系统易于集成和小型化。DDS系统的参考时钟源通常是一个具有高稳定性的晶体振荡器，整个系统的各个组成部分提供同步时钟。频率字(FSW)实际上是相位增量值(二进制编码)，作为相位累加器的累加值。相位累加器在每一个参考时钟脉冲输入时，累加一次频率字，其输出相应增加一个步长的相位增量。由于相位累加器的输出连接在波形存储器(ROM)的地址线上，因此其输出的改变就相当于查表。这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值(二进制编码)经查找表查出。ROM的输出送到D／A转换器，经D／A转换器转换成模拟量输出。
1．2 DDS的基本参数及其计算
在系统时钟脉冲的作用下，相位累加器不停累加，即不停查表，把波形数据送到D／A转换器转换成模拟量输出，从而合成波形。滤波器则进一步平滑D／A转换器输出的近似正弦波的锯齿阶梯波，同时衰减不必要的杂散信号。设频率字(FSW)的值为d，系统时钟频率为f，相位累加器的字长为N，则系统的输出频率为：
2 任意波形发生器的设计方案
基于DDS技术的任意波形发生器主要由微处理器控制模块、键盘与显示模块、DDS通道的FPGA实现模块、D／A转换模块以及滤波器模块组成。同时片外扩展了4 KB程序存储器SRAM和6 KB数据存储器ROM，分别用于存储波形抽样数据和3种标准输出波形抽样数据。本系统设计原理如图2所示。
2．1 微处理器控制模块
采用AT89C5l单片机完成数据处理和控制其电路工作。将键盘接收的数据通过特定算法转换成二进制码，再将处理后的控制字、波形参数和其器件的控制信号发送出去。
由于AT89C5l单片机主要接口有：微处理器与扩展器件的接口；微处理器与FPGA模块的接口；微处理器与键盘、显示模块的接口；微处理器与输出幅值调节电路的接口。由于单片机的输出引脚有限，需扩展其引脚。本设计采用8255器件扩展单片机的输出引脚，8255的PA用于相位控制字的输出；PB用于频率控制字的输出；PC是位可控输出端，用于DDS工作方式的控制字和波形参数的控制字输出引脚。AT89C5l单片机与FPGA的接口电路如图3所示。
2．2 键盘与显示模块
由于本系统设计的测量装置需要设置输出波形、频率、电压等参数，而且监控程序需要菜单驱动，因此需要设置键盘。键盘采用外接4×4软键盘，使用软件扫描方式获得按键信息。因为按键需要去抖动，因此采用软件编程方式实现，这样可以节省硬件资源，简化电路设计。
液晶显示可提供人机交互界面和系统运行状态，选用精工的MGLS 19264液晶显示屏。该液晶显示屏内置2块HD61202U液晶显示驱动控制器。其中CSA，CSB作为左、右屏片选信号，接单片机A8、A9引脚。同时单片机用地址Al作为R／W信号控制数据总线的数据流向；地址AO作为D／I信号控制寄存器的选择；E信号由单片机的读信号RD和写信号WR合成产生，实现计算机对内置HD61202U图形液晶显示模块的电路连接。电位器用来调节显示屏的对比度，如图4所示。液晶显示左半屏命令字地址为0EOOH；状态字地址为0EIOH；写显示命令字地址为0E0lH；读显示命令字地址为0EllH；右半屏对应地址为0D00H、0D10H、0D0lH、0DllH。
2．3 DDS通道的FPGA实现模块
该模块设计是DDS信号合成的关键部分，主要由相位累加器、地址总线控制器、数据总线控制器与SRAM组成。其中，除了SRAM外，其余3个模块都由FPGA实现。
相位累加器是整个DDS系统的关键，直接影响整个系统的功能。图5给出的FPGA结构框图中相位累加器实质上是一个带反馈的29位加法器，把输出数据作为反馈数据和由微处理器送来的频率控制字连续相加，从而产生有规律的29位相位地址码。设计中采用流水线技术实现29位加法。当输入所需频率时，转换成频率控制字来驱动FPGA工作，从而产生所需波形频率。整个模块设计过程使用FPGA的开发软件实现并进行仿真。
2．4 D／A转换模块
D／A转换器是DDS系统的核心器件，其速度和特性直接影响整个系统的性能。从建立时间、尖峰脉冲能量、位数和积分线性等四个方面选择D／A转换器。因为DDS系统的工作频率一般都很高，因此首先应选用高速D／A转换器。其次是考虑信噪比问题，增大D／A转换器的位数，可减小电压幅值量化误差，增大信噪比，采用了12位的D／A转换器。
2．5 滤波器模块
滤波器分为两组：一组是椭圆函数滤波器，用于正弦波的滤波；另一组是线性滤波器，用于其标准波形的滤波。
3 结语
本系统设计的DDS电路采用FPGA实现，单片机控制整个系统，产生任意波形。基于DDS技术的波形发生器结构简单，成本低，而且提高了信号源输出信号的分辨率。使用FPGA设计的DDS电路要比采用专用DDS器件更灵活，性价比更高。但在设计时应注意线路板的布线，以减少外界干扰，降低输出信号的杂散性。
