DSFDG

低频两相函数信号发生器（B题）

摘要：本系统基于FPGA来开发DDS函数发生器，以凌阳单片机SPAICE061A为控制核心，并由D/A转换器、四阶巴特沃思低通滤波器、电流电压转换器、lcd12864液晶显示器和波形移位等模块组成，单片机负责显示、键盘识别和频率控制字与相位控制字的串行输出。系统可输出单相正弦波、两相正弦波和调频信号波，具有输出波频率预置和步进、两相输出波相位差可预置和步进等功能。综合测试证明，本系统实现了赛题的所有要求。

关键词：低频两相 FPGA DDS 单片机 步进

一、引言

目前广泛采用的频率合成技术主要有直接合成、锁相频率合成和直接数字合成三种方式。随着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围DAC 的出现和广泛应用，用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的技术，即直接数字频率合成(DDS) 技术异军突起。DDS技术是一种新型全数字频率合成技术，可直接从相位出发合成所需的波形。它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨力等方面具有显著的特性。本系统即是基于直接频率合成(DDS)技术产生低频两相函数信号发生器的设计与制作，整个系统以单片机和CycloneII系列FPGA为控制核心，先把欲产生信号波的波形数据存储在FPGA内定制的ROM中，由单片机的串口发出频率控制字和相位控制字来控制输出波形的频率和相位，控制字的输出可使用单片机的串口来完成，这样可大大节约单片机的I/O资源。

二、系统设计方案与论证

1．系统总体方案

方案一：纯单片机方式 由单片机、D/A转换器及波形数据存储器等组成系统，单片机承担DDS信号波形的合成、所有的逻辑和时序控制等工作。此方案除了要求单片机完成基本的处理分析以外，还需要完成信号波数据的存储、按键的处理、信号显示等控制与变换工作。其优点在于系统规模小，有较大的灵活性，但单片机内部资源和处理速度均难满足要求，此方案极难实现。

方案二：基于IP核技术的FPGA 由带有IP核的FPGA来完成采集、存储、显示及D/A转换等功能，由IP核实现人机交互及信号输出分析等功能。这种方案的优点在于系统高度集成、结构紧凑、操作方便；缺点是调试过程繁琐、难度大，难以在短时间内完成系统设计。

方案三:单片机与FPGA结合 用单片机完成人机界面、系统控制、处理变换等，而用FPGA完成信号输出和生成相应的逻辑控制时序，这种方案结合了单片机和FPGA的长处，兼顾了前两个方案的优点。同时大多数FPGA都带有内置的EAB存储阵列，可将波形数据存储在FPGA内嵌ROM中，这样节省了片外存储器。

基于以上分析，我们选择方案三。

2．基于DDS产生可控频率和相位的信号波原理

本系统不仅要求输出单相正弦波和两相正弦波，而且要求输出正弦波的频率与相位均可预置和步进，这就要求增加相位控制字和频率控制字，频率控制字和