基于FPGA的任意波形發(fā)生器設計與研究

作者：時間：2012-07-24 來源：網(wǎng)絡

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標簽：FPGA DDS

本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/165208.htm

任意波形 發(fā)生器( Arbit rary Waveform Generato r,AWG) 是一種多波型的信號發(fā)生器，它不僅能產生正弦波、指數(shù)波等常規(guī)波形，也可以表現(xiàn)出載波調制的多樣化，如：產生調頻、調幅、調相和脈沖調制等。更可以通過計算機軟件實現(xiàn)波形的編輯，從而生成用戶所需要的各種任意波形。任意波形發(fā)生器的實現(xiàn)方案主要有程序控制輸出、DMA 輸出、可變時鐘計數(shù)器尋址和直接數(shù)字頻率合成( DDS) 等多種方式。目前任意波形發(fā)生器的研制主要基于DDS 技術，與傳統(tǒng)的頻率合成器相比， DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時間等優(yōu)點，廣泛使用在通信、測量與電子儀器領域，是設備全數(shù)字化的一個關鍵技術。

1 任意波形發(fā)生器的理論分析

1. 1 DDS 技術簡介

DDS( Direct Digital Sy nthesis) 的概念由美國學者J. T ier ncy、C. M. Rader 和B. Gold 在1971 年提出。該技術是從相位的概念進行頻率合成，主要優(yōu)點是輸出相位連續(xù)、相對帶寬較大、頻率分辨率很高、可編程、準確度和穩(wěn)定度都比較高。DDS 技術是利用查表法來產生波形，而通過修改存儲在ROM 里的數(shù)據(jù)，就可以產生任意波形。

1. 2 DDS 基本結構

DDS 主要有相位累加器、ROM 波形查詢表、數(shù)模轉換器組成。其基本框圖如圖1 所示。

圖1 DDS 結構框圖

線性數(shù)字信號通過相位累加器逐級實現(xiàn)，波形函數(shù)存儲在ROM 中，根據(jù)累加器輸出的相位值作為地址，尋找存儲在ROM 中的波形函數(shù)的幅度量化值，完成相位到幅值的轉換，輸出相對應的序列。

2 硬件電路設計

2. 1 設計方案

基于 FPGA 實現(xiàn)DDS 功能，通過單片機實現(xiàn)控制。此方案的核心在于FPGA 的設計實現(xiàn)邏輯功能，通過對存儲器查表后輸出信號，由相連接的數(shù)模轉換器轉換為要求的波形。單片機作為控制器，易于控制與調試。系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2. 2 D/ A 轉換器的使用

本案采用德州儀器的TLC7528。它是雙路、8 位D/ A 轉換器，本案設計為： A 路的數(shù)字量控制B 路的電壓輸出， B 路則控制輸出的幅度。電路圖可以顯示，VA1( VOB1) 處輸入的A( B) 路電壓范圍為- 5~ 0 V,VA2( VOB2) 處為A( B) 路的電壓為- 5~ 5 V。DA 電路連接圖如圖3 所示。

圖3 TLC7528 電路連接圖

其中因為轉換方法的問題，產生的零點誤差可以通過調整放大器的零點來校準; 而因為溫度變化產生的溫漂誤差在技術上就比較難消除。關于單極性DAC 的增益誤差可以通過調整放大器的閉環(huán)增益來消除。

2. 3 濾波器的設計

一般情況下，橢圓濾波器的參數(shù)靈敏度最高，在使用用相同階數(shù)時，橢圓濾波器能夠得到最好的矩形系數(shù)， 7 階橢圓濾波器在通帶附近的頻點可得到40 dB 的帶外抑制，很適合將雜散信號濾除。DDS 輸出的另一類波形是頻譜復雜的任意波形，頻率比較低，頻譜結構豐富，具有較高的諧波分量，選用等波紋誤差線性相位濾波器來濾波，它在很大范圍內具有固定的延遲，在遠離截止頻率處，其幅度響應也比較好。

2. 4 單片機的設計

單片機采用傳統(tǒng)8051 單片機，晶振為12 MHz, 采用內部振蕩方式; 復位輸入引腳為高電平有效，保持2 個機器周期以上的的高電平便可以實現(xiàn)對單片機的復位; 采用MAX232 芯片作為串口芯片，單片機通過異步通信串行接口與其他計算機或者外圍設備進行信息傳遞。

3 基于FPGA的DDS實現(xiàn)

FPGA 芯片采用ALT ERA 公司的CYCLON E 系列EP1C3T 144C8。設計采用Altera 公司的Quar tus , 使用AS 方式與JTAG 配置方式。

3. 1 固定波形輸出

本案使用幾個8 b 的ROM, 存儲深度為1 024 點，用來存儲正弦波等波形數(shù)據(jù)。每個波形數(shù)據(jù)存儲在一個固定的ROM 里，如圖4Sine_ROM, Square _ROM等分別對應正弦、方波等存儲模塊。通過一個使能模塊控制，采取低電平有效的方式，選擇性讀取任意模塊的波形。輸出波形時，僅有單獨一個ROM 工作，其他模塊為高電平，保證輸出所需固定波形。使能模塊的輸入端為行列式鍵盤，設定為：單鍵控制某一波形輸出。