基于SOPC的任意波形发生器

摘要：本设计实现了一个基于SOPC的任意波形发生器，不仅可以合成正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形，还可以通过PC端软件编辑任意波形数据，并下载到以Nios II嵌入式微处理器为核心的SOPC系统上用于产生任意波形，具有控制灵活，输出频率稳定、准确，波形质量好和输出频率范围宽等优点。
关键词：直接数字频率合成；可编程片上系统；NIOSⅡ

Arbitrary Waveform Generator Based on SOPC

　　Abstract：This paper describes an arbitrary waveform generator (AWG) based on SOPC, which can not only synthesize sine waveforms, cosine waveforms, square waveforms, triangle waveforms, sawtooth waveforms and other common waveforms, but also generate arbitrary waveforms with data edited and downloaded by PC software. It has advantages of easy control, stable output frequency, high quality waveform and wide bandwidth.
Keywords：DDS；SOPC；NIOSⅡ

1、引言

　　本设计采用直接数字频率合成（DDS）技术，通过基于NIOSⅡ的SOPC系统实现一个任意波形发生器。DDS技术是一种新颖的频率合成技术，具有易于程控，相位连续，输出频率稳定度高，频率转换速度快和分辨率高等优点。随着现代电子技术和大规模集成电路的发展，DDS技术得到了飞速的发展，已成为最重要的频率合成技术。SOPC（system on a programmable chip）可编程片上系统[1-2]是一种灵活、高效的SOC解决方案。它具有双重含义：首先它是片上系统（SOC），由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具有软硬件在系统可编程的功能。本设计通过Altera公司的NiosⅡ嵌入式系统实现SOPC。

2、采用DDS的任意波形发生器

　　采用DDS技术的任意波形发生器用高速存储器作为查找表，通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。所以它不仅能产生各种常见波形，而且还可以利用各种编辑手段，产生传统函数发生器所不能产生的任意波形。DDS的基本原理如图1所示[3]。

　
图1　DDS的基本原理框图

　　图中的参考时钟源是一个稳定的晶体振荡器，用它来同步合成器的各组成部分。相位累加器类似于一个简单的计数器，它由加法器和寄存器组成。在每一个参考时钟脉冲输入的时候，它的输出就增加一个步长的相位增量值（二进制编码）。这样累加器把频率控制字FSW（Frequency Setting Word）的数据变换成相位抽样来确定输出合成频率的大小。相位增量的大小随外指令的变化而变化，一旦给定了相位增量，输出频率也就确定了。当用这样的数据寻址时，正弦查找表就把存储在相位累加器中的抽样数字值转换成近似正弦波幅度的数字量函数，然后D/A变换器把数字量变成模拟量。低通滤波器进一步平滑近似正弦波的锯齿阶梯，并衰减不需要的抽样分量和其他杂散信号。DDS系统除了D/A转换和滤波器之外全都是数字集成电路，因此系统容易实现集成化和小型化。

　　DDS输出频率和其他一些参数之间的关系如下：

　　fs：系统时钟频率，对应系统时钟周期为Ts；

　　fo：输出波形频率，对应输出信号周期为To；

　　FSW：频率控制字，其值用Pfsw表示。

　　设相位累加器的长度是N位，控制波形存储器产生一整周正弦波输出是W位（N位中的最高W位，W<N）。显然，2w相当于360o（2π rad），因此W位中的MSB〔最高位有效位)相当于180o (π rad); W位中的LSB(最低有效位)相当于360o（2π /2W rad)。同样，N位中的LSB相当于2π /2N rad。这个2π /2N rad就是最小的相位增量。于是， Pfsw对应的相位增量就是Pfsw