在現(xiàn)代電子產(chǎn)品的故障維修或檢測(cè)中，需要的是穩(wěn)定的頻率和幅度來(lái)滿足自動(dòng)調(diào)節(jié)的正弦信號(hào)源，并且要求轉(zhuǎn)換速度快，具有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相的功能。本文原理與實(shí)際相結(jié)合，提出一種基于單片機(jī)和FPGA的直接頻率數(shù)字合成器的設(shè)計(jì)方案，產(chǎn)生兩路頻率和相位調(diào)節(jié)的正弦波信號(hào)，并達(dá)到預(yù)期效果。
1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的性能分析
系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、存儲(chǔ)器電路、FPGA模塊、鍵盤(pán)與顯示接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路組成，其硬件框圖如圖1所示。通過(guò)鍵盤(pán)輸入頻率控制字、相位控制字和幅值控制字，單片機(jī)最小系統(tǒng)控制FPGA模塊產(chǎn)生用戶需要的正弦波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)低通濾波器生成平滑的正弦波信號(hào)。
系統(tǒng)的性能要求：頻率范圍20Hz~20KHZ,步進(jìn)20Hz;差0o~359o,步進(jìn)1o;兩路輸出正弦波信號(hào)，峰峰值分別在0.3V~5V變化;數(shù)字顯示頻率、相位差。
1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理
1.1.1 DDS的基本原理
直接數(shù)字頻率合成器(DDFS)的基本原理：
DDS是利用采樣定理，根據(jù)相位間隔對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行取樣、量化、編碼，然后儲(chǔ)存在EPROM中構(gòu)成一個(gè)正弦查詢表，通過(guò)查表法產(chǎn)生波形。
它是由參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查詢表和D/A轉(zhuǎn)換器組成，如圖2所示。
相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其原理框圖如圖3所示。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖Fc,N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)K與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果Y送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時(shí)鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)K相加;另一方面以相加后的結(jié)果形成正弦查詢表的地址，取出表中與該相位對(duì)應(yīng)的單元中的幅度量化正弦函數(shù)值，作為取樣地址值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路。這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)。
相位累加器的最大計(jì)數(shù)長(zhǎng)度與正弦查詢表中所存儲(chǔ)的相位分隔點(diǎn)數(shù)相同，在取樣頻率(由參考時(shí)鐘頻率決定)不變的情況下，由于相位累加器的相位增量不同，將導(dǎo)致一周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)不同，輸出信號(hào)的頻率也相應(yīng)變化。
如果設(shè)定累加器的初始相位，則可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相位控制。由采樣原理可知，如果使用兩個(gè)相同的頻率合成器，并使其參考時(shí)鐘相同，同時(shí)設(shè)定相同的頻率控制字、不同的初始相位，那么在原理上就可以實(shí)現(xiàn)輸出兩路具有一定相位差的同頻信號(hào)。
