DOI:10.13606/j.cnki.37-1205/td.2010.01.045 煤矿现代化 2010 年第 1 期 总第 94 期 基于 DDS 的数字移相信号发生器 山东华聚能源股份有限公司 曹亚楠 王秀娟 兖 州 东 方 机 电 有 限 公 司 刘继光 摘 要 本系统采用直接数字频率合成（DDS）技术产生波形，整个系统都是对数字信号进行处理，使系 统有较强的抗干扰能力和稳定性。基于频率合成原理制成的信号发生器，由于可以获得很高的频率稳定度 和精确度，因此发展非常迅速。本设计基于直接数字频率合成计（DDS）的原理，充分利用 ALtera 公司的 FPGA 芯片 Cyclone 在软件 QUARTUS 5.0 开发平台上完成了 DDS 系统的设计、仿真和验证。本课题设计了 一个频率和相位差均可控制，能够输出正弦波形的直接数字频率合成器（DDS）。 Ⅱ 关键词 直接数字频率合成 信号发生器 移相 中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009- 0797（2010）01- 0075- 02 直 接 数 字 频 率 合 成 DDS （Direct Digital Frequency Synthesizer） 是一种采用数字化技术、通过控制相位的变化速 度、直接产生各种不同频率信号的新型频率合成技术。DDS 芯 片具有较高的频率分辨率，可实现快速的频率切换且在频率 改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的 数控调制，因此直接数字频率合成器的应用越来越广泛。 该信号发生器以 FPGA 为核心，设计采用 EDA 的方法完 成软件的编程，使该数字移相信号发生器具有信号输出的功 能。预计完成信号源制作并且具有以下功能： （1）该数字移相信号发生器可模拟产生和输出实用范围 的频率信号。 （2）该信号发生器具有频率设置功能。（输出信号的频率 范围：20Hz- 12MHz,频率步进 1Hz 相位步进 0.35°）。 （3）数字显示预置的频率、相位差值。 1 基于 DDS 的数字移相信号发生器 1.1 基于 DDS 的数字移相信号发生器的工作原理 该移相信号发生器是基于 DDS 技术而实现的，其原理框 图如图 1。 图 1 基于 DDS 的数字移相信号发生器的原理图 由图 1 可以看出它由单片机小系统，高精度晶体振荡器， 相位累加器，波形存储器，数摸转换器。以及低通滤波器组成。 其工作原理：由键盘输入频率、相位控制字，每来一个时钟脉 冲，全加器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数 据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加 寄存器一方面将加法器在上一次相加后所产生的新相位数据 反馈到加法器的输入端，另一方面其输出的地址分为两路，一 路直接从滤波存储器中取出波形数据，经 D/A 转换器和低通 滤波器将波形数据转换成模拟波形，另一路通过相位加法器 加上移相控制字，形成移相信号的地址码，从波形存储器中取 出波形数据，最后经 D/A 转换和低通滤波将波形数据转换成 所需的移相信号。当相位累加器累积满量时就会产生一次溢 出，完成一个周期性的动作，这个周期就是 DDS 合成信号的一 个周期。 1.2 DDS 移相的实现 器 件 采 用 美 国 ALTERA 公 司 的 FPGA（Cyclone EP1C6Q240C6）芯片来实现。对于 Altera Cyclone EP1C6Q240C6 的应用开发使用 Altera 公司的 EDA 开发软件（Quartus- II5.0）。 Quartus- II 是集设计输入、编译处理、逻辑综合、器件适配、软 件仿真、编程下载于一体的集成开发环境。它功能齐全，使用 Ⅱ中的 简单方便。其中波形存储器利用开发软件 QUARTUS LPM（可调参数元件），可大大提高开发速度。系统组成框图如 图 2： 图 2 基于 DDS 的数字移相信号发生器的设计框图 系统由一个 34 位加法器（ADDER34）、一个 34 位寄存器 （REG34）、一个 10 位加法器（ADDER10）、两个 10 位寄存器 （REG10）和两个相同的 ROM 构成。 ADDER34 与 REG34 组成累加器，对 FWORD 持续相加。 REG34 的高 10 位输出作为 PA 路 ROM 与 PB 路 ADDER10 的 输入，在此，将该输出称为 D，D 一方面作为一个 ROM 的地址 端，决定读取 ROM 的内容，也就是 FOUT。D 另一方面与输入 ADDER10 的 PWORD 相加后所得的结果作为另一 ROM 的寻 址端，然后输出 POUT。同时，D 还作为 ADDER34 的反馈，与 FWORD 相加，达到数值累加的目的。当 ADDER34 产生溢出 时，也就完成了输出波形的一个周期，生成完整的波形。 为得到精确的正弦波数据，以用于初始化 LPM_ROM 元 Ⅱ 件，用以下方法：数据 ROM 模块采用开发软件 QUARTUS Version 5.0 中的 LPM（可调参数元件）来设计，可大大提高开发 速度。首先建立.mif 文件，将波形数据填入此表中，完成后另存 为 rom.mif，表中的数据由参照网络。也可以使用 QUARTUS 以 外的编辑器设计 MIF 文件，MIF 文件也可以用 C 程序生成。 1.3 仿真与测试 （下转第 77 页） 75· · 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

煤矿现代化 2010 年第 1 期 总第 94 期 在 图 3 中，当工作面采到 4.13 号时，5m、10m 和 15m 处 钻孔应力计分别为 6.5MPa、4.5MPa 与 6.5MPa，都小于 5m 的 8MPa、10m 的 10MPa 和 15m 的 15MPa 预报临界值。 当工作面采到 4 月 24 日,B 组钻孔应力计 4 月 1 日 ~4 月 24 日钻孔应力值的曲线如图 4。 4 月 1 日 ~24 日期间每天 B 组钻孔应力值变化曲 图 4 工作面采到 4 月 24 日时,由图 4 看出，5m、10m 和 15m 处 钻孔应力计都小于其预报临界值。虽然 4 月 14 日 -4 月 17 日 没取出数据, 但是从 4 月 18 日 ~4 月 24 日阶段的钻孔应力计 变化曲线可以得出，10m、15m、20m 和 25m 四处的钻孔应力值 变化缓慢，5m 处钻孔应力值呈明显的下降趋势。 通过 B 组（离切眼 150m）钻孔应力计的监测数据分析，深 度为 5m、10m 和 15m 三处的钻孔应力计都在应力计读数预报 冲击地压危险性的判断准则临界值之内，表明此时的中间巷 在工作面见方阶段是安全的。 图 5 4 月 24 日 ~5 月 2 日期间每天 B 组钻孔应力值变化曲 （上接第 75 页） 图 3 仿真图形 图 4 部分 ROM 数据 取系统时钟做为时钟源频率 CLK, 频率控制字(FWORD [29...9])取 ，相位控制字(PWORD[9...0])取 ，此时两路信号的相 Ⅱ环境下得到仿真波形（图 位差地址应该为 8。在 QUARTUS 3）。比较仿真图形（图 3）和部分 ROM 数据（图 4）可以看出两 路输出的地址差确实为 8，即两路波形发生了移相。从而验证 当工作面采到 5 月 2 日,B 组钻孔应力计 4 月 24 日 ~5 月 2 日钻孔应力值的曲线如图 5。 从图 4 和图 5 对照可以得出，当工作面采到 5 月 2 日时， B 组钻孔应力计深度为 5m 处的应力计还处在逐渐减小的趋 势，15m 和 20m 处的应力计，有很缓慢的增加趋势，10m 和 25m 处的应力计大小几乎不变，且到 5 月 2 日，此时深度为 5m、10m 和 15m 的应力计为 2.7MPa、5.2 MPa 和 7.1 MPa，都 在预报临界值以内，表明工作面采到 5 月 2 日，在工作面阶段 处在安全阶段。 3 93 上 03 工作面电磁辐射仪观测情况 （1）上顺槽。根据电磁辐射仪监测数据分析：上顺槽此时 在本工作面采空区见方阶段内强度值和脉冲数均较小，巷道 压力比较稳定，危险程度不高。 （2）下顺槽。根据电磁辐射仪监测数据分析：下顺槽此时 在本工作面采空区见方阶段内强度值和脉冲数均较小，巷道 压力比较稳定，危险程度不高。 4 结论 综合 93 上 03 工作面钻屑法监测情况、电磁辐射仪观测 情况、工作面钻孔应力计的观测情况，表明此阶段在本工作面 见方阶段是安全的，可以继续生产。通过该工作面的监测，得 出以下几条经验： （1）工作面上顺槽（沿空巷道）钻屑量明显比下顺槽变化 明显，而且钻屑量大，随着工作面的回采，在离切眼 110m 左右 的钻屑量在逐渐增大。 （2）根据应力计读数预报冲击地压危险性的判断准则，可 根据 5m、10m 和 15m 深的钻孔应力读数预报冲击地压危险 性。 （3）电磁辐射仪监测可做为钻屑法监测的辅助监测手段， 首先用电磁辐射仪监测可能发生冲击危险的区域，再用钻屑 监测法进行详细监测，以进一步确认冲击危险范围。 作者简介 王英德，1962 年出生，男，山东莱芜人，毕业于山东煤矿学 校，现任兖州煤业公司南屯煤矿生产技术科科长、防冲办公室 主任。 （收稿日期：2009-7-22） 了本文提供的设计理论及设计电路的正确、可行，且具有良好 的性能参数，再配备高速的 D/A 转换器和低通滤波器，就可实 现高速 DDS 的设计。 2 总结 本次设计的所有程序能很好的完成设计初预想的功能。 作为基于 DDS 的移相信号发生器的设计，该设计中的方案在 扩展性上还有很大的空间，如增加波形表长度可使相位调节 精度更高。在设计 ROM 的时候，我们还可以利用信号周期的 对称性和算术关系来减少芯片资源开销。此外，还可以通过改 变 ROM 中的原始数据表来实现多种波形，包括方波、锯齿波、 三角波和余弦波的输出。 （收稿日期：2009- 8- 12） 77· · 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net