能在很短時(shí)間內(nèi)快速構(gòu)建任意波形的FPGA

1.引言

DDS頻率合成器具有頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)2N個(gè)頻點(diǎn)（假設(shè)DDS相位累加器的字長(zhǎng)是N）；頻率切換速度快，可達(dá)us量級(jí)；頻率切換時(shí)相位連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，可以輸出寬帶正交信號(hào)，其輸出相位噪聲低，對(duì)參考頻率源的相位噪聲有改善作用；可以產(chǎn)生任意波形；全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。

本文介紹了DDS的基本原理，同時(shí)針對(duì)DDS波形發(fā)生器的FPGA實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，利用SignalTapII嵌入式邏輯分析儀對(duì)正弦波、三角波、方波、鋸齒波進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.DDS波形發(fā)生器的FPGA實(shí)現(xiàn)

FPGA的應(yīng)用不僅使得數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常方便，而且它的時(shí)鐘頻率已可達(dá)到幾百兆赫茲，加上它的靈活性和高可靠性，非常適合用于實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的數(shù)字電路部分。使用FPGA設(shè)計(jì)DDS電路比采用專用DDS芯片更為靈活，只需改變FPGA中的ROM數(shù)據(jù)，DDS就可以產(chǎn)生任意波形，具有相當(dāng)大的靈活性。

2.1 FPGA設(shè)計(jì)流程

FPGA的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，F(xiàn)PGA的主要功能是：產(chǎn)生與外圍電路的接口電路，使其能夠接受外圍邏輯控制信號(hào)；保存頻率字，并構(gòu)成相位累加器，產(chǎn)生與主時(shí)鐘相同頻率的RAM尋址字；用內(nèi)部的存儲(chǔ)塊構(gòu)成存放多種波形數(shù)據(jù)的ROM,并通過相應(yīng)的控制線進(jìn)行選擇；構(gòu)造出兩個(gè)多波形選擇輸出的輸出通道，其中的一路通道可具備移相功能；用內(nèi)部的PLL倍頻外部低頻晶振，并輸出與主時(shí)鐘同頻的時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)片外高速D/A.

2.2 時(shí)鐘模塊

根據(jù)耐奎斯特采樣定理要得到輸出頻率為10MHz的信號(hào)，其所輸入的信號(hào)時(shí)鐘頻率必須達(dá)20MHz以上。采樣頻率越高，輸出波形的平坦度越好，同時(shí)波形的的采樣點(diǎn)數(shù)也越多，那么獲得的波形質(zhì)量也就越好。本設(shè)計(jì)中的DDS模塊是一高速模塊，所以對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘就有很高的要求，不僅需要有較高的頻率，而且還要有非常高的穩(wěn)定性，如果在FPGA的時(shí)鐘端直接加一高頻晶振，不僅時(shí)鐘不穩(wěn)定，而且功耗大，費(fèi)用高，在本設(shè)計(jì)中，直接調(diào)用Altera公司的PLL核，在FPGA時(shí)鐘端只需加一低頻晶振，通過FPGA內(nèi)部PLL倍頻達(dá)到系統(tǒng)時(shí)鐘要求，輸出的時(shí)鐘相位偏移在允許范圍內(nèi)。

2.3 DDS控制模塊

（1）頻率控制字輸入模塊

頻率控制字輸入模塊如圖2所示，數(shù)據(jù)選擇器控制輸入16位頻率控制字。

（2）步進(jìn)頻率控制模塊

步進(jìn)頻率控制模塊如圖3所示，通過一個(gè)乘法器來控制步進(jìn)頻率，具體算法如下：f步進(jìn)=fc*2147/232.

通過改變乘法器的乘數(shù)來改變步進(jìn)頻率。要使步進(jìn)為1Hz那么乘法器的乘數(shù)為22.

（3）頻率累加器

頻率累加器模塊如圖4所示，通過一個(gè)32位加法器跟32位寄存器構(gòu)成頻率累加器，頻率控制字高4位為0.

（4）相位寄存器

相位寄存器模塊如圖5所示，通過一個(gè)8位加法器跟8位寄存器構(gòu)成相位寄存器并產(chǎn)生8位波形數(shù)據(jù)地址。

（5）波形存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

波形數(shù)據(jù)ROM就是存放波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，大多波形發(fā)生器產(chǎn)品都將波形數(shù)據(jù)存放在外部的ROM中，這樣使得各部分結(jié)構(gòu)清晰，測(cè)試、維護(hù)更加方便但由于ROM本身讀取速度慢的缺點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)性能下降，工作頻率下降，為了解決以上問題，本設(shè)計(jì)使用的是用FPGA設(shè)計(jì)出ROM,在FPGA中存放波形數(shù)據(jù)，使用Quartus II9.0中的Mega Wizard Plug-In Manager來生成一個(gè)ROM,如圖6所示。

Mega Wizard Plug-In Manager的設(shè)置，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，經(jīng)過七步的設(shè)置，就可以生成一個(gè)ROM的IP核。當(dāng)在波形ROM中固化所需波形的一個(gè)周期的幅度值后，由地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址對(duì)波形ROM尋址，依次可取出送至D/A轉(zhuǎn)換及濾波后即可得到所需的模擬波形輸出。計(jì)算波形數(shù)據(jù)可以有兩種方法：C語言與matlab計(jì)算。

3.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照第2節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)程序下載到FPGA芯片，使用QuartusII軟件自帶SignalTapII嵌入式邏輯分析進(jìn)行仿真，觀察信號(hào)波形圖，正弦波如圖7,三角波如圖8,方波如圖9,鋸齒波如圖10.

4.總結(jié)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過DDS技術(shù)合成的波形具有良好的穩(wěn)定性，易于控制和調(diào)節(jié)，利用FPGA能在很短時(shí)間內(nèi)快速構(gòu)建任意波形，提高了設(shè)計(jì)效率，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。