基于DDS的高精度任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：系統(tǒng)利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)完成任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)，以FPGA作為核心控制器件，用Flash和RAM作為波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，在上位機(jī)軟件的控制下，利用高精度D／A轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、三角波、鋸齒波、高斯白噪聲等任意波形輸出。系統(tǒng)可廣泛用于通訊、遙控遙測(cè)、震動(dòng)激勵(lì)和儀器儀表等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：DDS；FPGA；Flash；RAM；上位機(jī)；D／A轉(zhuǎn)換器

    隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度大動(dòng)態(tài)范圍D／A轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，通過(guò)數(shù)字方法生成頻率和相位相對(duì)固定且可調(diào)的合成技術(shù)，即直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)日益成熟，它采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，具有頻率分辨率高、相對(duì)帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換速度快、相位噪聲低、信號(hào)純度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)采用DDS技術(shù)來(lái)完成任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)。

1 DDS工作原理
    直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是一種以采樣定理為基礎(chǔ)的全數(shù)字化波形產(chǎn)生方法。DDS頻率合成器主要由相位累加器、波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成，其原理框圖如圖1所示。在一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)，相位累加器將前一次的累加值與頻率控制字相加，得到新的累加值，將新的累加值作為地址，從波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取信號(hào)的幅度值，送入D／A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后再經(jīng)低通濾波器生成需要波形。其中波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了周期信號(hào)單個(gè)周期的幅度值，相位累加器每溢出1次，可從波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取1個(gè)周期的信號(hào)幅度值。因此，若假設(shè)頻率控制字為K，相位累加器為N位，則經(jīng)過(guò)個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，可產(chǎn)生1個(gè)周期的輸出信號(hào)，再設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為fsclk，則輸出信號(hào)頻率。

2 系統(tǒng)總體框圖
    系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。其中，上位機(jī)軟件由LabWindows軟件編寫(xiě)，用于控制信號(hào)的產(chǎn)生，下位機(jī)以FPGA作為核心控制器件，主要用于接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令和信號(hào)參數(shù)，并控制下位機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)波形。下位機(jī)系統(tǒng)主要分為FPGA控制單元、波形存儲(chǔ)單元、波形產(chǎn)生單元。波形存儲(chǔ)單元主要包括Flash和SRAM，F(xiàn)lash用于存儲(chǔ)各種波形數(shù)據(jù)，波形產(chǎn)生時(shí)，F(xiàn)PGA先將要產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)從Flash讀入SRAM，再利用相位累加器的累加值從SRAM中讀取波形數(shù)據(jù)。波形產(chǎn)生單元主要完成波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，首先將SRAM讀出的波形幅度數(shù)據(jù)送入D／A轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生信號(hào)的階梯序列波，再通過(guò)低通濾波器和功率放大電路產(chǎn)生輸出信號(hào)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 Flash連接電路圖

    Flash采用美國(guó)飛索半導(dǎo)體公司的S29AL032D，其容量為32 MB，它用于存儲(chǔ)各種波形的幅度信息，其存儲(chǔ)形式如圖4所示。

    由圖4可知，地址區(qū)間0x000000～0x01FFFF存儲(chǔ)正弦波幅度值，地址區(qū)間0x020000～0x03FFFF存儲(chǔ)三角波數(shù)據(jù)，地址區(qū)間0x040000～0x05FFFF存儲(chǔ)鋸齒波數(shù)據(jù)，地址區(qū)間0x060000～0x07FFFF存儲(chǔ)白噪聲數(shù)據(jù)，地址區(qū)間0x080000～0x0FFFFF為4個(gè)用戶自定義區(qū)，存儲(chǔ)4種用戶需產(chǎn)生的周期波形數(shù)據(jù)。
3．2 RAM連接電路圖

    RAM采用美國(guó)芯成半導(dǎo)體公司的IS61LV25616AL-10T，其容量為256×103×16 bit，主要用于存儲(chǔ)上位機(jī)發(fā)送的控制命令及波形產(chǎn)生時(shí)信號(hào)的幅度值，其存儲(chǔ)形式如圖6所示。

    地址區(qū)間Ox00000～0x1FFFF存儲(chǔ)上位機(jī)發(fā)送給下位機(jī)的控制命令和數(shù)據(jù)參數(shù)，地址區(qū)間Ox20000～Ox2FFFF存儲(chǔ)系統(tǒng)要產(chǎn)生信號(hào)的波形幅度值。
3．3 信號(hào)產(chǎn)生電路連接圖
    圖7為任意信號(hào)產(chǎn)生的電路連接圖，產(chǎn)生信號(hào)頻率范圍為50 Hz～200 kHz。其中，AD768為16位高精度D／A轉(zhuǎn)換器，其最大更新速率可達(dá)40Msps，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)部分由Labwindows軟件編寫(xiě)，主要負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的控制，包括對(duì)信號(hào)頻率、幅度、相位(占空比)的設(shè)置，信號(hào)波形的選擇，用戶自定義波形數(shù)據(jù)的輸入等，其控制面板如圖8所示。

4．2 FPGA軟件設(shè)計(jì)
    FPGA為系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)與上位機(jī)軟件通信及控制下位機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生任意波形。
4．2．1 與上位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)
    上位機(jī)與下位機(jī)的通信是通過(guò)RS232來(lái)實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)PGA主要用于接收RS232發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并將其存入外部RAM中，通信模塊如圖9所示。

    RS232_Controller模塊用于接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，RS232的速率為115．200 kB／s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位。data_bu-ffer將RS232_Controller接收的數(shù)據(jù)緩存，并按接收先后順序組合成16位數(shù)據(jù)后送入RamWrite。RamWrite再將這些16位數(shù)據(jù)從地址0x00000開(kāi)始存入外部RAM中。
4．2．2 接收數(shù)據(jù)處理模塊
    本模塊主要用于分析和處理接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)，從中提取出信號(hào)的數(shù)據(jù)信息、各項(xiàng)參數(shù)及控制命令，如圖10所示。

    當(dāng)RS232發(fā)送數(shù)據(jù)完成時(shí)，接收數(shù)據(jù)處理模塊立即從地址0x00000開(kāi)始讀取RAM中的數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)?個(gè)數(shù)據(jù)和第2個(gè)數(shù)據(jù)分別為16'hAAF0和16' hBB55時(shí)，則第3個(gè)數(shù)據(jù)的高8位為命令控制字，否則接收數(shù)據(jù)處理模塊停止讀取RAM中的數(shù)據(jù)。8位命令控制字各位所代表含義如下

    用A代表命令控制字，A[n]代表命令控制字的第n位數(shù)據(jù)，則：
    當(dāng)A[15]為1時(shí)表示存儲(chǔ)用戶自定義波形數(shù)據(jù)，為0時(shí)表示任意波形的產(chǎn)生。當(dāng)為波形存儲(chǔ)時(shí)，A[14：8]為0表示將波形數(shù)據(jù)存入用戶自定義1區(qū)，為1表示存入2區(qū)，為3表示存入3區(qū)，為4表示存入4區(qū)。從讀取的第4個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始即為用戶自定義波形數(shù)據(jù)，共65 536個(gè)，再以16'h65 80和16'h0856作為結(jié)尾，其存儲(chǔ)形式如圖12所示。

    當(dāng)為任意波形產(chǎn)生時(shí)，A[14：11]為0表示產(chǎn)生正弦波；為2表示產(chǎn)生方波；為3表示產(chǎn)生三角波；為4表示產(chǎn)生鋸齒波；為5表示產(chǎn)生高斯白噪聲；為6表示產(chǎn)生用戶自定義1區(qū)波形；為7表示產(chǎn)生用戶自定義2區(qū)波形；為8表示產(chǎn)生用戶自定義3區(qū)波形；為9表示產(chǎn)生用戶自定義4區(qū)波形。從RAM中讀取的4個(gè)16位數(shù)據(jù)分別代表要產(chǎn)生波形的頻率(32位)、幅度、相位(方波時(shí)為占空比)控制字。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式如圖13所示。

4．3 Flash數(shù)據(jù)存取模塊設(shè)計(jì)

    此模塊用于波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。在信號(hào)產(chǎn)生模式時(shí)，它根據(jù)Sig_Type[3：0]輸入的數(shù)據(jù)判斷需產(chǎn)生的波形，再?gòu)腇lash中讀取對(duì)應(yīng)波形的數(shù)據(jù)信息并存入RAM中。當(dāng)Sig_Type[3：0]為1時(shí)表示產(chǎn)生正弦波；為2時(shí)表示產(chǎn)生方波；為3時(shí)表示產(chǎn)生三角波；為4時(shí)表示產(chǎn)生鋸齒波；為5時(shí)表示產(chǎn)生高斯白噪聲；為6時(shí)表示產(chǎn)生用戶自定義l區(qū)波形；為7時(shí)表示產(chǎn)生用戶自定義2區(qū)波形；為8時(shí)表示產(chǎn)生用戶自定義3區(qū)波形；為9時(shí)表示產(chǎn)生用戶自定義4區(qū)波形。
4．4 波形產(chǎn)生控制模塊
    模塊利用DDS技術(shù)控制AD768產(chǎn)生任意波形信號(hào)，如圖15所示。

    fre_ctrl，amp_ctrl，phase_ctrl分別為波形的頻率控制字、幅度控制字和相位控制字。clk為此模塊的控制時(shí)鐘，它的6分頻時(shí)鐘為32位相位累加器時(shí)鐘。在一個(gè)相位累加器時(shí)鐘周期內(nèi)，模塊以累加器的高16位累加值、相位控制字及18'h20000之和作為RAM地址，從RAM中讀取波形信號(hào)的數(shù)據(jù)，設(shè)此數(shù)據(jù)為data，則D／A輸出的數(shù)據(jù)為，然后再在clk_da的上升沿將此數(shù)據(jù)送入AD768，依次循環(huán)，則AD768的輸出將產(chǎn)生階梯狀的信號(hào)波形，再經(jīng)過(guò)低通濾波器和功率放大器即可得要產(chǎn)生的波形，圖16為系統(tǒng)產(chǎn)生的5V、200kHz正弦信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    完成了任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)硬件路的設(shè)計(jì)及軟件編程，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)可產(chǎn)生50Hz～200kHz頻帶內(nèi)的正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲等常用信號(hào)，該信號(hào)發(fā)生器具有頻率分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度快、信號(hào)純度高、產(chǎn)生信號(hào)種類多等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、儀器儀表、電子對(duì)抗及遙控遙測(cè)等領(lǐng)域。