原创 基于FPGA的DDS设计

初始频率设置为7.3682307MHz，系统频率为100MHz，根据DDS输出频率公式能计算出相位累加字：

　　其中f为DDS输出频率；fclk为DDS系统频率；N为相位累加器的位数；DATA为相位累加器的累加值。

　　要得到7.3682307MHz的输出频率，相位累加值

DATA=（100101101110011010111111110101101101111011100）₂

　　FPGA采用Xilinx Spartan3E XC3S500E，IP核+VerilogHDL+Sch编程。下图为整个FPGA的原理框图：

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　　DCM_100MHz

　　其中DCM_100MHz用了Spartan3E里面的DCM(时钟管理单元)，由于输入的时钟为有正负的正弦波（100MHz 幅值5V峰峰10V的正弦信号），所以经过DCM后，能得到一个很好的方波。输出100MHz给DA作为DA的时钟，其中还经过一个BUFG，目的是使ROM的正弦数据输出稳定后，时钟才到来，DA才能读入数字值，这可以参考AD9744的Datasheet

　　其中ts至少为2.0ns，如果少于2.0ns或时钟和DA数据同时甚至提前到达的话，DA输出的模拟值会出错。所以要加一个BUFG，但BUFG延时不太确定，.....(方面的我还不懂L)

　　MCU_FPGA

　　51单片机通过串口接受PC机给出的DATA(相位累加值)，再通过与FPGA的通信，告诉FPGA相位累加模块（Accumulator）累加值。MCU_FPGA所做的工作是把收到的数据出入模块内的ROM里，使得改变模块里的ROM地址，就能改变输出的累加值。FPGA_MCU通信的时序为：

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• 　　DIN：48位累加值串行输入
  
• 　　CLK_WR：输入写信号时钟，DIN的数据稳定后，CLK_WR上升沿写入FPGA内部的寄存器，寄存器的数据移位。
  
• 　　DIN_PRO：写保护，DIN_PRO=0时，模块内ROM的输出随地址变化而变化；DIN_PRO=1，模块内ROM的输出锁存，输出保持DIN_PRO=0时ROM地址所对应的ROM值。
  
• 　　WR：写信号，WR=1时，把FPGA内部寄存器的值写入此时ADDRESS[2:0]地址的ROM空间。
  
• 　　ADDRESS：ROM地址位，3根地址线决定ROM深度为8。ROM的大小为248x8 bit。

　　Accumulator

　　48位相位累加器。

　　Wire48_14

　　截取相位累加器的高14位作为存储正弦波数据的ROM的地址。

　　ROM

　　存取一个周期的正弦波数据，而这个正弦波数据应该是有水平移位的，最低点（270°）为0，最高点（90°）为1，直流偏移0.5。所要得到的数据有LabView编程得到。

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　　DDS输出结果

　　没加滤波器

　　设计的输出频率为7.3682307MHz，但是示波器显示为7.599MHz，示波器显示的频率是不准确的，实际可以用频谱仪看输出的频率。

　　放大来看，可以看到正弦波是由一个台阶一个台阶组成的，这就是DA的模拟输出。

　　加低通滤波器

　　自己也设计了低通的椭圆滤波器，但实际焊接出来的椭圆滤波器达不到仿真效果，设计截止频率为10MHz，但实际在1~2MHz时幅值衰减就很大（大约1半），到5MHz时，就完全截止了，所以最后还是放弃自己设计的低通椭圆滤波器，选用商用的低通滤波器（minicircuits公司SLP-10.7+）。

　　SLP-10.7+ DataSheet

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SLP-10.7插入损耗与频率的关系                                      SLP-10.7回波损耗与频率的关系

　　在想要的频率（7.3682307MHz）上插入损耗越小越好，回波损耗越大越好，而在杂散或谐波频率（主要为14MHz这个2倍谐波）上则相反，目的是要把杂散和谐波分量都滤除。SLP-10.7截止频率为11MHz，对于我要的输出频率7.3682307MHz有很好的滤波效果。

　　下面是加上SLP-10.7低通滤波器后，示波器的输出。

　　可以看到台阶没有了，正弦波变得比较光滑，这是因为高阶的谐波分量都被滤除了