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直接数字合成技术实现函数信号发生器

作者:吴怀明 周善波 李泳东2时间:2015-12-09来源:电子产品世界
编者按:本文利用直接数字合成技术通过一款FPGA可编程逻辑芯片实现函数信号发生器的研制,该信号发生器是以Altera公司生产的EP4CE6F17C8芯片为设计载体,通过DDS技术实现两路同步信号输出。通过软件Quartus-II12.0和Nios-II 12.0开发环境编程,实现多种波形信号输出,信号具有高精度的频率分辨率能力,最高可达36位。最后通过实验输出的波形信号符合标准。

摘要:本文利用通过一款可编程逻辑芯片实现函数的研制,该是以Altera公司生产的EP4CE6F17C8芯片为设计载体,通过DDS技术实现两路同步信号输出。通过软件12.0和Nios-II 12.0开发环境编程,实现多种波形信号输出,信号具有高精度的频率分辨率能力,最高可达36位。最后通过实验输出的波形信号符合标准。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/283528.htm

引言

  随着电子技术的发展,微处理器时代的到来,数字处理技术逐步替代了模拟信号处理技术,加快了数字信号处理技术的发展。是测试计量、仪器仪表系统中不可或缺的测试设备,信号处理技术的快速发展和计算机技术的不断进步,使得信号发生器的性能指标不断提高,功能也不断丰富,信号源在工业生产、科研实验中获得了越来越多的应用范围,如在电子系统、电路仿真、型号试验等一系列系统中都要用到信号发生器。信号发生器在工业现场通过模拟传感器信号调试设备,例如模拟氧传感器、压力传感器等直流信号。

  目前,信号源主要由频率合成、信号调理、调制三大部分构成,频率合成部分主要产生所需要的频率和波形信号;信号调理部分实现信号的幅度参数调节;调制部分负责将低频调制信号调制到射频载波的某一参数上。信号源从频率合成原理上基本分为三类:一是直接模拟合成技术;二是间接合成技术;三是。直接模拟合成技术理论相对成熟,其频率的切换主要受限于选频电路电子开关滤波器的响应速度,跳频速度比较快,这类频率合成器模拟电路比较多、相对复杂。间接合成技术则是采用锁相环(PLL)技术,其硬件电路的组成相对直接模拟合成方式要简单,原理也比较复杂,由于锁相环本身的特性,其频率切换时间比直接数字合成慢许多。简称DDS(Direct Digital Synthesizer)技术是一种相对较新的频率合成技术,直接改变频率控制字就可以实现频率的切换,DDS的频率变化是瞬时的目前可以达到纳秒。本文研制的基于技术的DDS信号源就是采用的直接数字合成技术。

1 直接数字合成技术的原理

  直接数字频率合成技术简称DDS(Direct Digital Synthesizer)技术是从相位概念出发的直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。DDS是利用信号相位与幅度的关系,对需要合成的信号波形进行相位分割,对分割后的相位值赋予相应的地址,然后按时钟频率以一定的步长抽取这些地址,这样按照一定的步长抽取地址(相位累加器值)的同时,输出相应的幅度样值,这些幅度样值的包络反映了需要合成信号的波形。一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器构成。其中DDS的原理框图如图1所示。

  DDS技术是数字控制的从一个标准参考频率源生成多种频率技术,把一系列数字化形成的信号通过D/A转换成模拟信号的合成技术。例如正弦波的生成是通过高速存储器查找表,利用高速D/A转换器产生已经用数字形式存入的正弦波。图1中的频率控制字和相位控制字分别控制DDS输出正余弦的频率和相位。DDS系统的核心是相位累加器,它由一个累加器和1个N位的相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲,相位寄存器以步长M增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加,其结果作为正弦的查找表的地址,正弦查找表由ROM构成,内部存有完整的周期正弦波数字信息,每个查找表的地址对应的正弦波0-2π范围内的一个相位点。查找表把输入的地址信息映射成正弦的数字幅度信号,同时输出给模数转换器D/A,模数转换器D/A输出的模拟信号经过低通滤波器,可以得到一个频谱纯净的正弦波。

  对这个频谱纯净的正弦信号可以用如下公式来描述:

(1)

  其相位为:

(2)

  显然,该正弦信号相位和幅值均为连续,为了便于采用数字技术,应对连续的正弦信号进行离散化处理,即把相位和幅值均转换为数字量。

  用频率为fclk的基准时钟对正弦信号进行抽样,这样,在一个基准时钟周期Tclk内,相位的变化量为:

 (3)

  由式(3)得到的Δθ为模拟量,为了把Δθ转换为数字量,将2π切割成2N 等份作为最小量化单位,从而得到Δθ数字量M为:

 (4)

  将式(3)代入式(4)得:

 (5)

  经变化后得:

(6)

  目前,DDS技术具有超宽的相对宽带,超高的切换速率,超细的分辨率以及相位的连续性,可编程、全数字化以及可方便实现各种调制等优越性能,产生的波形信号准确、精度可靠、抗干扰性强。但存在误差大的缺点,限于数字电路的工作速度,DDS的频率上限目前还只能达到数百兆。

2 总体方案的选择

  DDS信号发生器的设计方案有很多,可以采用单片专用集成电路芯片解决,也可以采用高速的微处理芯片来设计,还可以采用芯片来设计,基本的设计方案简介如下。

2.1 采用高性能的DDS集成电路方案

  随着微电子技术的飞速发展,目前高超性能优良的DDS产品不断推出,美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列:AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列产品已具有较高的性价比,目前取得了极为广泛的应用。采用专用的DDS芯片AD9850来设计电路,其典型电路如图2所示。

  优点:开发周期短,实现系统简单(最小系统+DDS芯片),系统后加模拟调理电路。

  缺点:国外厂商的芯片的输出指标尽管很高,如有AD9852、AD9854,而且实现起来比较简单,只需送人按其指定的公式算出频率控制字即可输出波形,但存在着功能单一的缺点。

2.2 采用FPGA芯片的DDS方案

  DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。而FPGA芯片就具有速度高、规模大、可编程以及有强大EDA软件支持等特性,十分适合实现DDS技术。Altera公司的现场可编程逻辑阵列具有高性能、高集成度和高性价比的优点,此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等,因此Altera公司的产品在实现DDS技术方面获得了广泛的应用。通过FPGA技术则可以根据需要灵活地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能,具有良好的实用性。针对生成波形信号质量而言,专用的DDS芯片采用特定的集成工艺,内部数字信号抖动很小,可以输出高质量的模拟信号,但控制功能单一固定;而FPGA也能输出较高质量的信号,而且输出信号灵活,虽然达不到专用DDS芯片的水平,但信号精度误差在允许范围之内。

  基于DDS技术原理选用的可编程逻辑器件、D/A转换模块、外部存储模块,通过数学函数式来生成波形信号,电路总体结构框图如图3所示。

  优点:

  (1)RAM查询表法结构比较简单,只需要在RAM中存放不同相位对应的幅度序列,然后根据相位累加器的输出对其寻址,经过D/A数模转换器和低通滤波器输出。

  (2)硬件实现比较容易,可以实现任意波形的输出。

  在基于DDS原理的基础上,利用可编程逻辑芯片设计的DDS硬件电路,同样可以达到专用的DDS芯片所产生的波形性能。因此本系统采用的方案技术是基于FPGA技术的DDS设计方案。

3 硬件电路的设计

  本文提出的信号源将采用方案二实现,原理将通过直接数字合成的方式,逐点读出波形存储器中的波形数据,通过D/A转换器和低通滤波器后输出所需的波形,通过改变参考时钟的频率和计数步长就可以实现频率的改变,本系统的硬件结构框图如图3所示。

  本文提出的基于FPGA技术的DDS信号源的技术方案,由于可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程及有强大的EDA软件支持特性,十分适合实现DDS技术,所以本系统采用Altera公司的Cyclone IV型EP4CE6F17C8作为波形生成的核心部件,具体芯片功能的特点如下。

  (1)低功耗、高性能,控制逻辑单元6272个,片内电压支持3.3V,2.5V,内核电压1.2V。

  (2)支持多种下载方式,支持AS、AP、PS、FPP、JTAG。

  (3)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

  (4)FPGA采用高速CMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。

3.1 电源电路的设计

  本系统采用的FPGA为Altera公司的Cyclone IV型EP4CE6F17C8,该芯片的片内电压支持3.3V,2.5V,1.2V,因此根据设计需要,使用线性稳压器件AMS1117系列分别产生相应的电源电压,供给本开发系统,该线性稳压芯片使用简单,纹波电压小,对系统的干扰也小,电源电路如图4所示。



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