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1、基于FPGA的多波形信号发生器摘要在信号发生器的设计中，传统的用分立元件或通用数字电路元件设计电子线路 的方法设计周期长，花费大，可移植性差。木设计是利用EDA技术设计的电路， 该信号发生器输出信号的频率范围为20Hz20KHz，幅度的峰-峰值为0.3V 5V两路信号之间可实现0359的相位差。侧重叙述/用FPGA来完成直接数字频率合成器(DDS)的设计，DDS由相位累 加器和正弦ROM查找表两个功能块组成，其中ROM查找表由兆功能模块 LPM_ROM来实现。而通过设定不同的累加器初值(K1)和初始相位值(K2)，可 以调节两路相同频率止弦信号之间的相位差，从而产生两路数字式的频率、相位 和幅
2、值可调的正弦波信号，最后通过MAX+plusII演示仿真结果。与传统的频率合成方法相比，DDS合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率 高、相位变化连续等诸多优点。使用单片机灵活的控制能力与FPGA器件的高 性能、高集成度相结合，可以克服传统DDS设计中的不足，从而设计开发出性 能优良的DDS系统。关键词：单片机；可编程逻辑门阵列；正弦信号发生器；硬件描述语言 FPGA-based multi-wave signal generatorAbstractIn the design of the signal generator, the traditional separation compone
3、nts or with general digital circuit components of electronic circuit design method design cycle is long and costly, portability poor. This design is using EDA technology design of the circuit, this signal generator output signal frequency range for 20 Hz ac 20 KHz, the amplitude of the peak peak of
4、0.3 V-5 V two road between 0 signal can be realized 359 of the phase difference.Focusing on the FPGA to complete with narrative direct digital frequencysynthesizer (DDS) design, by phase accumulators DDS and sine ROM lookup table two function blocks, one of ROM look-up table by signs LPM_ROM functio
5、n module to realize. And through the setting of the initial value different accumulator (Kl) and initial phase value (K2), can adjust the two road the same frequency sine signal of the phase difference between two road, which causes the digital frequency，phase and amplitude adjustable sine signals,
6、finally through the MAX + plusll demo simulation results.And the traditional synthesis methods of frequency, compared with frequency signal DDS synthesis switch time is short, the high frequency resolution and phase change continuous, and many other advantages. Use of flexible control ability and ch
7、ip the FPGA device of high performance, high level of integration, and the combination of can overcome the shortcomings of traditional design DDS to design, develop the good performance of DDS system.Keywords: MCU; FPGA; ROM sine wave generator; VHDL绪论多波形信号发生器的背景在一些电子设备的电路板故障检测仪中，往往需要频率、幅度都能由计算机自 动调
8、节的信号源。采用诸如MAX038信号发生器芯片外加电阻及切换开关等器 件虽然也能调节频率和幅度，但这种调节是离散的，且电路复杂，使用不方便 m。而采用直接数字合成芯片DDS及外加D/A转换芯片构成的可控信号源，可 产生正弦波、调频波、调幅波及方波等，并且其信号的频率和幅度可由微机来精确控制，调节非常方便。另外随着21世纪的到来，人类正在跨入信息时代。现代通信系统的发展方内是 功能更强，体积更小，速度更快，功耗更低。而大规模可编程器件CPLD/FPGA 在集成度、功能和速度上的优势正好满足通信系统的这些耍求。所以今天无论 是民用的移动电话、程控交换机、集群电台、广播发射机和调制解调器，还是军 用
9、的雷达设备、图形处理仪器、遥控遥测设备、加密通信机中，都己广泛地使用 大规模可编程器件2。由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点，数字技术和数字集成电路的使用已经成为构成现代电子系统的重要标志。电子系统的集成化，不仅可使系统的体积小、重量轻且功耗低，更重耍的是可 使系统的可靠性大大提高。因此自集成电路问世以来，集成规模便以10倍/6年 的速度增长。从20世纪90年代初以来，电子系统日趋数字化、复杂化和大规 模集成化。为满足个人电脑、无绳电话和高速数据传输设备的发展需求，电子 厂商们越加迫切地追求电子产品的高功能、优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸为达到此目标，必须采用少量的1C器件使面积
10、尽可能小。正弦信号发生器作为电子技术领域中最基木的电子仪器，广泛应用于航空航天 测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。随着电子信息技 术的发展，对其性能的要求也越來越高，如要求频率稳定性高、转换速度快， 具有调幅、调频、调相等功能，男外还经常需要两路正弦信号不仅具有相同的频率，同时要有确定的相位差41。随着数字信号处理和集成电路技术的发展，直接数字频率合成（DDS）的应用也越来越广泛。DDS具奋相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换吋间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点，而可编程门阵列 （FPGA）具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动 态
11、重构等特点，因此可以快速地完成复杂的数字系统。由于模拟调相方法有生 产性差、调试不方便、调制度控制不精确等缺点，因此采用数字方法实现各种 模拟调制也越来越普遍1现在许多DDS芯片都直接提供了实现多种数字调制 的功能，实现起来比较简单，而要实现模拟线性调制具有一定的难度。因此本 设计介绍了一种由单片机控制，并采用FPGA实现DDS功能，产生频率和相位可调的正弦波信号的方法。单片机是实现各种控制策略和算法的载体。波形发生器也可运用单片机技术， 通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波相位、频率和幅 值可调的信号。信号的频率、相位可通过键盘输入并显示。与现有各类型波形发生器比较而言，产
12、生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，成本低。多波形信号发生器国内外研宂概况目前市场上已有的信号发生器有很多种，其电路形式有采用运放及分立元件构 成；也有采用单片集成的函数发生器；以及以单片机和FPGA为核心，辅以必 要的模拟电路构成的DDFS数字信号发生器。在保证信号发生器的稳定性、频 率范围、幅值范围等指标的同时，实现对输出信号的频率、相位和幅值的数字控制是现代信号发生器的发展方向。1971 年，美W学者 J.Tierney 等人撰写的文章A Digital Frequency Synthesizer 首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频
13、率 合成原理。限于当吋的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与己有的技术相 比，故未受到重视。近10年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合 成器(Direct Digital Frequency Synthesis 简称 DDS 或 DDFS)得到丫飞速的发 展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的骄骄者6。DDS在相对带宽、频率转换吋间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。其优点如下：(1) 输出频率相对带宽较宽：输出频率带宽为50%fs(理论值)。但考虑到
14、低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到 40%fso(2) 频率转换时间短：DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得 DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过 一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率 转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频 率越高，转换吋间越短。DDS的频率转换吋间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。(3) 频率分辨率极高：若时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器 的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N
15、即可获得任意小的频率分辨率。 目前，大多数DDS的分辨率在1HZ数量级，许多小于1MHZ,甚至更小。(4) 相位变化连续：改变DDS输出频率，实际上改变的每一个吋钟周期的相位增 量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生丫突变，因而保持了信号相位的连续性。(5) 其他优点：可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、 功耗低、体积小、重量轻、可靠性高、控制灵活方便等方面，并異有极高的性价比。当然DDS也有局限性，主要表现如下：(1)输出频带范围有限：由于受DDS内部DAC和波形存储器(ROM)的工作速度限制，使得DDS输出的最高频率有限。目前市场上采用CMOS、TT
16、L、ECL工艺制作的DDS芯片，工作频率一般在几十MHZ至400MHZ左右。(2) 输出杂散大：由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差由存储器有限字长引起造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散71。DDS问世之初，构成DDS的元器件的速度限制和数字化引起的噪声这两个主 要缺点阻碍了 DDS的发展与实际应用。随着近几年超高速数字电路的发展以及 对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频 率合成器相当的水平。近年来随着频率合成技术的发展，DDS已广泛应用于通 讯、导航、雷达、遥控遥测、电子测量以及现代化的仪器仪表工业等领域木文的主要研究工作信号发生器一般是指能自动产生具有一定频率和幅度的正弦波、三角波(鋸齿波)、方波(矩形波)
