基于SoPC的任意波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：為了解決信號(hào)發(fā)生器的一些具體問(wèn)題，如需要它能產(chǎn)生多種信號(hào)、工作穩(wěn)定、成本低等，因此采用GW48型SoPC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，以Nios軟核為控制核心，來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)可調(diào)的任意波形DDS信號(hào)源。重點(diǎn)闡述系統(tǒng)硬件方案、軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，具有方案設(shè)計(jì)便捷、集成度高、擴(kuò)展靈活和功能全面等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：SoPC；DDS；Nios；任意波形信號(hào)發(fā)生器

0 引言
    可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，SoPC)結(jié)合了SoC，PLD和FPGA的諸多優(yōu)點(diǎn)，既擁有可編程邏輯技術(shù)將整個(gè)系統(tǒng)集成于一塊硅片之上，由單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)主要邏輯功能的特點(diǎn)，又具備可裁減、可擴(kuò)展、可升級(jí)、軟硬件系統(tǒng)可編程的功能，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。直接數(shù)字頻率合成(DDS)是20世紀(jì)70年代初提出的一種全數(shù)字的頻率合成技術(shù)，常用于產(chǎn)生相位可控的信號(hào)，具有轉(zhuǎn)換快、分辨率高等特點(diǎn)。而SoPC具有速度快、集成度高、存儲(chǔ)容量大的優(yōu)點(diǎn)，使之與DDS技術(shù)相結(jié)合，可以極大地提高信號(hào)發(fā)生器的性能，降低生產(chǎn)成本。本文采用SoPC技術(shù)，把DDS模塊和微處理控制部分集成到FPGA芯片，從而實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的正弦、鋸齒、方波、三角等任意波形的信號(hào)發(fā)生器。

1 DDS原理
    DDS的基本原理是以采樣定理為基礎(chǔ)，利用查表法產(chǎn)生數(shù)字量形式的波形信號(hào)，并通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)。其基本的原理電路如圖1所示，直接數(shù)字頻率合成(DDS)是由頻率合成器、相位累加器、波形ROM、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器LPF構(gòu)成。

    連續(xù)信號(hào)按照相位取樣、量化、編碼后，形成一個(gè)波形函數(shù)表，存于ROM中。合成時(shí)，每輸入一個(gè)時(shí)鐘相位累加器把頻率控制字累加一次，輸出合成信號(hào)的相位，通過(guò)改變相位累加器的頻率控制字可以改變相位增量。當(dāng)相位增量改變時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)也隨之改變。在時(shí)鐘頻率即采樣頻率不變的情況下，通過(guò)相位增量的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的改變，計(jì)算公式為△p=w△t=2πf△t，其中△p為相位變化，ω為角頻率，△t為時(shí)鐘周期。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的合成信號(hào)的頻率為f=△p／(2π△t)=△pfclk／(2π)，fclk為時(shí)鐘頻率。通過(guò)改變△p改變合成信號(hào)的頻率f。由N位相位累加器對(duì)2π進(jìn)行量化，對(duì)2π取2N個(gè)點(diǎn)，則f=(K／2N)fclk，其中K為頻率控制字，取值范圍為0～2N-1。

2 信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
   設(shè)計(jì)方案采用Altera公司的QHartusⅡ和NiosⅡIDE軟件作為開(kāi)發(fā)工具，包括硬件和軟件兩部分。
2．1 硬件方案
    該設(shè)計(jì)選用Altera公司CycloneⅡ系列EP2C35F484C8型FPGA芯片作為產(chǎn)生波形信號(hào)的核心組件，以搭載Nios軟核和DDS模塊，并由外部添加輸入鍵盤(pán)，修改DDS發(fā)生器的參數(shù)，來(lái)選擇不同的輸出波形。為了保證輸出信號(hào)不失真，DAC芯片的轉(zhuǎn)換速率必須高于100 MHz，所以D／A轉(zhuǎn)換器選用了190 MHz的THS5651高速DAC芯片。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

    系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的核心是可裁剪的Nios軟核和可存儲(chǔ)多種波形信號(hào)的DDS模塊，如圖3所示。Nios軟核為DDS設(shè)置輸出波形選擇參數(shù)，DDS模塊生成相應(yīng)波形信號(hào)，再由PIO口將輸出信號(hào)傳輸給DAC芯片。DDS模塊是由1個(gè)相位累加器和4個(gè)LPM_ROM構(gòu)成，主要完成保存設(shè)置參數(shù)，產(chǎn)生波形ROM地址，形成波形ROM等工作。LPM_ROM分別以matlab生成的MIF格式文件存儲(chǔ)了正弦、鋸齒、三角、方波四種常見(jiàn)的波形數(shù)據(jù)表，若要生成其他任意波形，只需將相應(yīng)的連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為MIF文件，替換LPM_ROM中的波形文件即可實(shí)現(xiàn)任意波形信號(hào)的輸出。為了取得精細(xì)的頻率分辨率，將相位累加器設(shè)為32位，同時(shí)為使LPM_ROM中數(shù)據(jù)量不至于過(guò)大，使用相位截?cái)嚅y，讓相位累加器輸出的高10位用來(lái)查表，這樣可以保證系統(tǒng)在高速穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，最大限度地減少輸出波形信號(hào)的誤差。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)流程如下：


3 測(cè)試結(jié)果與分析
    采用邏輯分析儀對(duì)DDS發(fā)生器的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，輸出信號(hào)如圖4所示，設(shè)置初始頻率字與實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1，誤差小于0．05，輸出信號(hào)精度較高。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文介紹了基于SoPC的DDS任意波形發(fā)生器的一種設(shè)計(jì)方案，詳述了硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與測(cè)試，輸出信號(hào)頻率的誤差較小，可以滿(mǎn)足不同系統(tǒng)對(duì)波形信號(hào)的要求，適用于工業(yè)控制、檢測(cè)、通信等不同領(lǐng)域。