基于FPGA的三相函数信号发生器设计

摘要：基于FPGA的三相函数信号发生器以DDS为核心，在Altera公司CycloneⅡ系列EP2C8T144C8上实现正弦波、方波、三角波和锯齿波信号的产生，利用单片机PICl8F4550控制波形的频率及相位差。同时单片机通过DAC0832控制波形数据转换DAC902参考电压实现在波形幅度的控制，D／A输出的波形经过放大、滤波后输出。波形参数的输入输出通过触摸屏和液晶屏实现，测试结果显示该系统具有较高的精度和稳定性。
关键词：FPGA；三相；信号发生器；DAC902

模拟函数信号发生器输出波形易受输入波形的影响，难以实现移相控制，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移，频率、幅度的调节均依赖电位器实现，因此精度难以保证，也很难达到满意的效果。基于FPGA的数字式三相信号发生器，精度较高，移相控制方便，实现频率为1 Hz～10 MHz、幅度0．1～10 V，分辨率为1°，频率和幅度的调节均可程控的三相函数信号发生器。系统还具有输出灵活、易于系统升级等优点。

1 函数信号发生器的原理
基于DDS原理，频率控制字M和相位控制字P分别控制DDS输出波形的频率和相位。相位累加器是整个波形产生的核心，它有一个累加器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M增加，如图1所示。相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为波形查找表的地址。波形查找表由ROM构成，内部存有一个完整周期的波形的数字幅度信息，每个查找的地址对应波形中0°～360°范围的一个相位点。查找表输入的地址信息映射达成波形幅度信号，同时输出到数模转换器的输入段，DAC输出的模拟信号经过程控滤波器，可得到一个频谱纯净的波形。

相位寄存器每经过2N／M个fc时钟周期后回到初始装状态，相应地波形查表经过一个循环回到初始位置，DDS输出一个波形。输出的波形周期为Tout=(2N／M)Tc，频率为

DDS的最小分辨率为fmin=fc／2N，当M=2N-l(即一个周期内只取两个点)时，DDS最高的基波合成频率为foutmax=fc／2，根据取样定理，这在理论上是可行的，考虑到失真度的问题，取i(i>2)个点，则最高频率为当M=2N-3时，foutmax=fc／i。

2 系统总体设计
系统由单片机控制模块、FPGA波形产生模块、数模转换模块、滤波输出模块、触摸屏输入和液晶显示模块组成，单片机控制FPGA产生输入频率和相位差的三相正弦波、方波、三角波和锯齿波，经过D／A转换后滤波输出，三相波形的幅度也由单片机通过改变D／A的参考电压控制。具体系统框图，如图2所示。

FPGA部分具体框图，如图3所示，基于DDS原理，主要由相位累加器、正弦波ROM查找表、方波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器和波形选择模块组成。根据单片机设置相移值调整三相波形的相位差，波形选择也由单片机控制。