基于FPGA的DDFS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

楊 敏，王 利，張金時(shí)，裴水源，羅 浩

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

由于直接頻率合成(direct digital frequency synthesizer,DDFS)技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、相對(duì)帶寬寬、頻率分辨率高以及波形穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、遙控遙測(cè)、電子對(duì)抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域[1-2]。隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)技術(shù)的發(fā)展，其資源容量、工作頻率以及集成度都得到了極大的提高。由于FPGA靈活的接口和控制方式，使得其廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)某些專用數(shù)字集成電路[3]。本文基于DDFS基本原理，采用Inter公司的FPGA芯片Cyclone IV E系列器件，完成DDFS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。該信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生不同頻率、相位的正弦波、矩形波、三角波信號(hào)。

1 DDFS基本工作原理

基于FPGA的DDFS原理框如圖1所示。

圖1 基于FPGA的DDFS原理框圖

DDFS主要由相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器組成[4]。相位累加器由N位加法器和N位寄存器構(gòu)成。在系統(tǒng)時(shí)鐘作用下,相位累加器中的加法器將頻率控制字與累加寄存器輸出的相位數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并將得到的相位數(shù)據(jù)輸入累加器的輸入端，以便在每一個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)與頻率控制字線性累加。相位累加器根據(jù)得到的相位碼對(duì)波形存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址，經(jīng)查找表找出波形存儲(chǔ)器里的波形采樣值。輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。DAC輸出信號(hào)實(shí)際上是階梯模擬信號(hào),需在D/A轉(zhuǎn)換后利用低通濾波器對(duì)波形進(jìn)行平滑處理，濾除高頻分量，得到連續(xù)變化的波形[5-6]。

DDFS輸出信號(hào)的頻率為[7]：

(1)

式中:fo為輸出信號(hào)頻率;K為頻率控制字;N為相位累加器的字長(zhǎng);fc為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖

首先，通過按鍵控制頻率字、相位字以及波形地址的選擇，并將其顯示在LCD上。其目的是與在示波器上的觀察到的波形、頻率、相位進(jìn)行比較。然后，通過12位的DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并經(jīng)低通濾波濾除高頻分量，得到光滑的、連續(xù)的信號(hào)波形。最后，將其輸入到示波器進(jìn)行觀察。

本系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。軟件設(shè)計(jì)主要基于FPGA平臺(tái)的程序部分，包括相位累加器、波形存儲(chǔ)器、按鍵設(shè)計(jì)和LCD設(shè)計(jì)，使用Verilog HDL匯編語言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要有D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波器設(shè)計(jì)。

本文所用的系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz,相位累加器為32位。由于采用12位的DAC，所以存儲(chǔ)波形的ROM具有12 bit的輸出。將FPGA 輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，輸出信號(hào)頻率范圍為1 Hz～100 kHz，幅值范圍為0～5 V，波形可設(shè)為正弦波、三角波、方波。

3 系統(tǒng)重要模塊設(shè)計(jì)

3.1 程序固化

當(dāng)DDFS應(yīng)用于某些領(lǐng)域如引信領(lǐng)域時(shí)，要求脫離上位機(jī)。這就要求存儲(chǔ)于SDRAM中的程序可以掉電不丟失。但是SDRAM不具有記憶功能，所以先將程序存入所用開發(fā)板的EPCS flash存儲(chǔ)器中。該存儲(chǔ)器原本存放FPGA的配置文件，其內(nèi)存為16 Mbit,足夠存放編寫的程序，且其掉電后不會(huì)丟失程序。FPGA上電后，再?gòu)腅PCS flash中讀取程序并保存到SDRAM中，從而保證掉電不丟失程序。

3.2 相位累加器

相位累加器由32位的加法器和32位的寄存器組成。在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，對(duì)頻率控制字K進(jìn)行線性累加。當(dāng)累加32次后就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，每溢出一次即為DDFS的一個(gè)周期[8]。相位累加器的實(shí)質(zhì)是一個(gè)計(jì)數(shù)器,它累計(jì)的是每個(gè)時(shí)鐘脈沖下的頻率控制字K[9]。

3.3 波形存儲(chǔ)器

波形存儲(chǔ)器，又叫ROM查找表。由式(1)可知，當(dāng)增大相位累加器的位數(shù)N時(shí)，就可以提高DDFS最小分辨率[10]。同時(shí)，為了解決ROM空間資源占用過大的問題，可以采用相位截?cái)嗟姆椒ㄈ∠辔焕奂悠鬏敵龅母進(jìn)位作為波形存儲(chǔ)器的地址位[11]。本文采用這種方法，將相位累加器輸出的高12位作為波形ROM的取樣地址。

在本文中，使用Matlab編寫波形信號(hào)，然后將其寫入生成的.mif文件中。通過按鍵循環(huán)切換正弦波、方波、三角波，ROM查找表的地址線為14位、數(shù)據(jù)線為12位；存有正弦波、方波和三角波的數(shù)字波形信號(hào)，每種波形有4 096個(gè)字節(jié)，波形在ROM中存儲(chǔ)的基地址為0000H。其中：RAM地址的0000H～0FFFH為正弦波的數(shù)據(jù)；1000H～1FFFH為三角波的數(shù)據(jù)；2000H～2FFFH為方波的數(shù)據(jù)。各個(gè)波形的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址偏移量為1000H。通過功能按鍵，獲取需要輸出的波形類型。如果輸入為0，則偏移地址0000H，選擇正弦波。同理，如輸入為1和2的偏移地址分別為1000H和2000H，則分別選擇三角波和方波。波形選擇的Verilog HDL語言如下。

case(F_Change)

0:Offset_add=12′h0000

1:Offset_add=12′h1000

2:Offset_add=12′h2000

default:Offset_add=0

endcase

3.4 按鍵設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器使用4×4鍵盤。鍵盤主要按鍵功能如下。

①“0～9”:數(shù)字鍵,設(shè)定頻率字和相位字。

②“確定”:用于確認(rèn)設(shè)置的波形信號(hào),只有按下此鍵，波形信號(hào)才有效。

③“刪除”:刪除最近一位輸入的信號(hào)數(shù)字。

④“F”:控制輸出波形的切換。

⑤“←”:步進(jìn)增大控制。

⑥“→”:步進(jìn)減小控制。

⑦“+” :控制輸入頻率字和相位字遞增。

3.5 LCD顯示設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面使用的是LCD1602A液晶顯示器。

FPGA控制LCD顯示數(shù)據(jù)主要過程為：初始化顯示屏→配置顯示屏→寫顯示數(shù)據(jù)或指令。初始化過程為：延時(shí)15 ms→寫指令38H→延時(shí)5 ms。其中，指令38H為不檢測(cè)忙信號(hào)。配置顯示屏過程為：寫指令38H→寫指令08H→寫指令01H→寫指令06H→寫指令0CH。

指令38H：顯示模式設(shè)置。

指令08H：顯示關(guān)閉。

指令01H：顯示清屏。

指令06H：顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置。

指令0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置。

寫顯示數(shù)據(jù)或指令：通過按鍵讀取并判斷本次輸入為指令還是數(shù)據(jù)。如果是指令，則控制LCD的RS引腳為低，反之為高。

4 輸出信號(hào)測(cè)試分析

4.1 DDFS信號(hào)發(fā)生器的仿真驗(yàn)證

在Quartus II 13.0平臺(tái)下，將程序編譯成功后，調(diào)用Modelsim進(jìn)行仿真，輸入的頻率控制字分別為542 488和1 717 987，波形類型為0，選擇為正弦波。

由式(1)可以計(jì)算得：當(dāng)頻率控制字K=542 488時(shí)，fo=6.06 kHz；當(dāng)頻率控制字K=1 717 987時(shí)，fo=20 kHz。

通過仿真測(cè)得的頻率分別為6.06 kHz和20 kHz，與由公式計(jì)算得到的結(jié)果相吻合。由此可知：①信號(hào)源輸出信號(hào)波形光滑，頻率穩(wěn)定度高，且仿真測(cè)試所得頻率與理論計(jì)算值的誤差較??；②正弦波在兩個(gè)不同頻率間波形切換自然，頻率轉(zhuǎn)換速度較快，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 信號(hào)發(fā)生器的試驗(yàn)驗(yàn)證

信號(hào)發(fā)生器仿真驗(yàn)證后，將項(xiàng)目編譯生成的編程文件下載到CYCLONE器件中，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。示波器輸出波形如圖3所示。

圖3 示波器輸出波形圖

由圖3可知，按鍵輸入的頻率控制字依然為524 288和1 717 987，波形類型為0，選擇正弦波，便于對(duì)比仿真結(jié)果。示波器輸出的波形形狀光滑、連續(xù)、無明顯失真，且輸出波形的頻率與理論計(jì)算值及仿真測(cè)試值較為接近，輸出波形質(zhì)量好，誤差小，準(zhǔn)確率高。

5 結(jié)束語

隨著電子通信技術(shù)的迅速發(fā)展,對(duì)信號(hào)發(fā)生器的要求(如信號(hào)頻率范圍、帶寬和頻率分辨率)也越來越高。除此之外，對(duì)信號(hào)波型的選擇及調(diào)制特性要求也在提高[12]。本文基于FPGA設(shè)計(jì)的DDFS信號(hào)發(fā)生器，可以輸出正弦波、方波、三角波，并可靈活改變波形、

頻率、相位，具有轉(zhuǎn)換時(shí)間短、精度高、相位變化連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。只要改變頻率控制字K的值，就可以改變輸出頻率的大小。該系統(tǒng)可脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作，具有相當(dāng)大的靈活性；加入按鍵與LCD顯示，使得信號(hào)發(fā)生器工作更加簡(jiǎn)單方便。該信號(hào)發(fā)生器幅值范圍為0～5 V，頻率范圍為1 Hz～100 kHz。由于硬件資源有限，頻率范圍較小，但是只要更換輸出頻率較高的DAC(即高速DAC)，即可輸出頻率更大的波形。