一種基于FPGA的正弦波信號發(fā)生器的設(shè)計

摘要：現(xiàn)代測試領(lǐng)城中，經(jīng)常需要信號發(fā)生器提供多種多樣的的測試信號去檢驗實際電路中存在的設(shè)計問題。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器多采用模擬電路搭建。以正弦波信號發(fā)生器為例，結(jié)合DDS直接數(shù)字合成技術(shù)，基于FPGA設(shè)計其他外圍電路構(gòu)成正弦波信號發(fā)生器。相比傳統(tǒng)的模擬信號發(fā)生器，該電路具有設(shè)計簡單，升級容易，波形穩(wěn)定等特點。
關(guān)鍵詞：FPGA；DDS；正弦波信號發(fā)生器

O 引言
    信號發(fā)生器是用來為各種電路提供測試信號的儀器，在工程應(yīng)用和測試領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。目前傳統(tǒng)的信號發(fā)生器是使用模擬電路或者專用芯片搭建而成，但是存在頻率不商，穩(wěn)定性較差，且不易擴展和調(diào)試的缺陷；而采用DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計的信號發(fā)生器，改變了以往的設(shè)計思路，在精度、靈活性上大大超越了模擬信號發(fā)生器。隨著可編程邏輯器件FPGA的迅速發(fā)展，基于FPGA控制的DDS信號發(fā)生器使得電路設(shè)計更加簡單，而且通過預(yù)留的端口可輕松進行二次開發(fā)。本文通過Altera公司的EPFl0K10LC84-4芯片，成功實現(xiàn)了正弦波信號發(fā)生器。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)由健盤電路、LED顯示、FPGA單元、D／A轉(zhuǎn)化和低通濾波器構(gòu)成。以FPGA為主控制芯片，結(jié)合DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生正弦波信號。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1。

1．1 鍵盤電路
    在本系統(tǒng)中，通過鍵盤電路改變頻率控制字K，從而實現(xiàn)對正弦信號的頻率、相位的初始化設(shè)置。為了節(jié)省FPGA的I／O端口，簡化硬件線路，鍵盤電路采用4×4矩陣式健盤。鍵盤共設(shè)有14個鍵，其中包括4個功能健。具體鍵盤按鍵設(shè)置如表1。

    使用時先通過“0～9”、“↑”、“↑”12個設(shè)置按鍵輸入所需信號頻率，再按下ENTER執(zhí)行健，頻率控制字K將刷新，使得輸出信號頻率發(fā)生變化。CLR鍵用于將原有的設(shè)定值清零。[!--empirenews.page--]
1．2 LED顯示
    在本系統(tǒng)中，通過4個LED數(shù)碼管進行動態(tài)顯示。電路設(shè)計如圖2所示。LED數(shù)碼管動態(tài)顯示的實現(xiàn)方法為依次點亮各個數(shù)碼管，循環(huán)進行顯示，利用人眼的視覺暫留特性，數(shù)碼管每秒導(dǎo)通16次以上，可以達到4個數(shù)碼管同時顯示的效果。但是，延時也不是越小越好，因為數(shù)碼管達到一定亮度需要一定時間。如果延時控制不好則會出現(xiàn)閃動，或者亮度不夠。根據(jù)經(jīng)驗，延時0．005秒可以達到滿意效果。

1．3 FPGA單元
    FPGA單元包括鍵盤轉(zhuǎn)換頻率控制字、LED顯示控制、相位累加器、ROM查詢表的實現(xiàn)。鍵盤電路是一組按鍵開關(guān)的集合，F(xiàn)PGA掃描鍵盤電路的電平信號，通過FPGA中指定程序轉(zhuǎn)化為頻率控制字K輸入到相位累加器，同時，將設(shè)置輸出的頻率通過4個LED數(shù)碼管實時顯示。
    相位累加器是DDS技術(shù)的核心，它類似一個計數(shù)器，由時鐘信號fclk上升沿觸發(fā)。頻率控制字K控制相位累加器的步長，每來一個上升沿，相位累加器上次的基數(shù)與頻率控制字K相加，得到新相位。新相位作為ROM查詢表的地址，相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)被讀取，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換輸出階梯波形。本文只將相位累加和ROM查詢表作為主要內(nèi)容在軟件設(shè)計部分說明，具體內(nèi)容見第3部分軟件設(shè)計。
1．4 D／A轉(zhuǎn)化
    從FPGA輸出的正弦波信號還只是階梯信號，需要經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)化器進行數(shù)字／模擬信號的轉(zhuǎn)化。本設(shè)計使用的是8位D／A轉(zhuǎn)化芯片DAC083 2，該芯片采用CMOS／Si-Cr工藝實現(xiàn)。用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，為電流輸出型。DAC0832中有兩級鎖存器，第一級即輸入寄存器，第二級即DAC寄存器，數(shù)據(jù)輸入有直通數(shù)字輸入、雙緩沖輸入或單緩沖輸入三種工作方式。
    D／A接口電路如圖3所示。

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1．5 低通濾波電路
    低通濾波器用于濾除階梯信號中的諧波分量。本文采用2階低通濾波電路，階梯信號通過低通濾波，使得輸出信號頻譜純度較好，失真較小。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
    DDS(Direct Digital Synthesis)是一種應(yīng)用直接數(shù)字合成技術(shù)來產(chǎn)生信號波形的方法。DDS技術(shù)建立在采樣定理的基礎(chǔ)上，它首先對需要的信號波形進行采樣、量化，然后存入存儲器作為待產(chǎn)生信號的數(shù)據(jù)查詢表。在輸出信號波形時，從數(shù)據(jù)表依次讀出數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)字信號。
    輸入時鐘頻率和輸出波形信號的頻率關(guān)系如圖4所示。在圖4中To表示輸出波形的周期，Tc為采樣周期，2N為ROM查詢表尋址范圍，K為頻率控制字。由圖可知To=Tc*2N／K，轉(zhuǎn)換為頻率可表示為fo=fc*K／2N，fc為時鐘信號clk的頻率。

    在本設(shè)計中N=8，因此信號的輸出頻率fo=fc*K／256。

3 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計主要是在FPGA中通過Verilog硬件語言進行相位累加器和ROM查詢表的編程實現(xiàn)，這兩部分采用Quartus軟件和Matlab軟件并行開發(fā)。
3．1 相位累加器的實現(xiàn)
    相位累加器主要用于產(chǎn)生ROM查詢表所需的地址信息。圖5為在Quartus軟件中編程生成的相位累加器符號，相位累加器的輸入信號包括時鐘信號clk、復(fù)位信號clr和頻率控制字K。輸出信號addr[7…0]為ROM查詢表的輸入地址信號。

    相位累加器類似一個計數(shù)器。首先，軟件設(shè)置相位累加器的基數(shù)為0，并通過時鐘信號clk上升沿觸發(fā)，基數(shù)與頻率控制字K相加，相加后的值反饋到相位累加器的輸入端作為下一次的基數(shù)。當相位累加器的溢出時，—個完整的階梯正弦信號就從ROM查詢表的輸出端輸出。因此，相位累加器的溢出率就是正弦波信號的輸出頻率。相位累加器的仿真波形如圖6所示。

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3．2 ROM查詢表的實現(xiàn)
    本文設(shè)計的ROM查詢表尋址范圍為256，數(shù)據(jù)為8bit。ROM查詢表如圖7所示，輸出q[7…O]需與D／A轉(zhuǎn)換器的輸入相連。ROM查詢表的輸出為8位，因此與D／A轉(zhuǎn)換芯片的分辨率相匹配。

    ROM查詢表的設(shè)計有很多種方法。定制ROM查詢表需要在軟件Quartus中載入．mif或．hex文件，這兩種文件可由多種工具獲得，如Quart-us的Text File編輯器、Matlab、DSP Builder、vc++編譯器、Keil編譯器等工具。本文選用Matab得到正弦波數(shù)字幅度值的．mif文件。Matl-ab程序如下：
   
    由于此時生成的．mif文件不符合Quartus中所需載入的．mif格式，還需要對其進行修改。修改格式如下：

        
    最后通過載入此．mif文件，就可獲得如圖7所示的ROM查詢表。

4 系統(tǒng)測試
    硬件調(diào)試完成后，我們對系統(tǒng)的整體功能進行了測試，并且與Matlab的仿真結(jié)果進行了比較。用示波器觀測試驗波形如圖8所示。系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，輸出波形狀態(tài)良好，未出現(xiàn)明顯失真。

5 結(jié)束語
    本文介紹的這種基于FPGA的DDS正弦波信號發(fā)生器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、工作頻率穩(wěn)定度高、頻率調(diào)整精度高等特點。并且，此方法同樣適用于三角波、方波等其他任意波形的實現(xiàn)。若要產(chǎn)生某特定波形，只需先用地Matlab對波形曲線采樣生成相應(yīng)的．mif文件，然后載入ROM查詢表中，其他硬件不變即可產(chǎn)生所需信號。因此，該設(shè)計也可以直接拓展到其他測試領(lǐng)域的電路中。