基于FPGA的信号源设计.pdf

第 4 2卷 第 7期 2 0 1 6年 7月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 7 0 0 5 9 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 1 4 付扬． 基于 F P GA的信号源设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 5 9 6 2 ． 基于 F P GA 的信号源设计 付 扬 北 京 工商 大学 计 算机 与信 息 工程学 院 ， 北 京 1 0 0 0 4 8 摘 要 针 对模 拟 信 号 源存 在精 度低 、 频率 范 围小 ， 以及 定制 直接数 字频 率合 成信 号 源的控 制 方式 、 置频速 率 等 不满足 系统要 求 的 问题 ， 设 计 了一种 基 于 F P GA 的 信 号 源 。该信 号 源基 于 直接 数 字频 率 合 成 原理 ， 采 用 F P GA 的模 块 化设 计 方法 ，实现 了频 率 、 相 位 、 幅值 可调 的 正 弦 波 、 方 波 、 三 角波 等 波 形输 出。 实验表 明 该信 号 源输 出波形质 量好 ， 频 率 分辨 率 高 ， 控 制灵 活 、 方便 。 关键 词 信 号 源 ； 现 场 可编 程 门阵 列 ；直接 数 字频 率合成 中图分 类号 T D6 7 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 7 0 5 1 5 0 2 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 7 0 5 ． 1 5 0 2 ． 0 1 4 ． h t ml De s i g n o f s i g na l s o u r c e ba s e d O n FPGA FU Ya n g Co l l e g e o f Co mp u t e r a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g，Be i j i n g Te c h n o l o g y a n d Bu s i n e s s Un i v e r s i t y B e i j i n g 1 0 0 0 4 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o s o l ve pr ob l e ms o f l ow p r e c i s i o n a n d s ma l l f r e q ue nc y r a n ge o f a n a l o g s i g na l s ou r c e s a n d una b i l i t y t o s a t i s f y s y s t e m r e q ui r e m e n t o f be s po ke d i r e c t di gi t a l f r e qu e nc y s y nt he s i s s i g na l s ou r c e s o n a s pe c t s o f c o nt r o l mod e a n d f r e q ue nc y s e t t i ng，a s i g na l s o u r c e b a s e d o n FPGA wa s d e s i g ne d．The s o u r c e i s b a s e d o n d i r e c t d i g i t a l f r e q u e n c y s y n t h e s i s p r i n c i p l e ．i t a d o p t s mo d u l a r i z a t i 0 n d e s i g n o f F PGA a n d c a n o u t p u t s i n e wa v e ，s q u a r e wa v e a n d t r i a n g u l a r wa v e wi t h a d j u s t a b l e f r e q u e n c y ，p h a s e a n d a mp l i t u d e ．Th e e xp e r i me nt a l r e s ul t s s ho w t ha t t he s i gn a l ha s pe r f e c t qu a l i t y o f o ut p ut wa ve ，hi g h f r e q u e nc y r e s o l ut i on a nd c o nv e n i e n t c o nt r o 1 ． Ke y wo r d s s i g n a l s o u r c e；f i e l d p r o g r a mma b l e g a t e a r r a y；d i r e c t d i g i t a l f r e q u e n c y s y n t h e s i s 0 引言 信 号 源 在 产 品研 发 及 生 产 实 践 中有 广 泛 的 应 用 。模拟信号源便于集成 ， 操作简单 ， 且频谱纯度较 高 ， 使用 比较广泛 ， 但精度较低 ， 频率范围小 ， 存在高 分 辨率 和快 转换 速 度 之 间 的 矛 盾 ， 因此 需 要 研 发 高 性 能 的信 号 源 。直 接 数 字 频 率 合 成 Di r e c t Di g i t a l F r e q u e n c y S y n t h e s i s ， D DF S ， 简称 D DS 是从 相位 概 念 出发 ， 直 接合 成所 需 波形 的一 种 新 的频 率 合 成 技 术 ， 与传统 的模 拟式 波形 产 生法 相 比 ， 具 有频 率转 换 速度快 、 频率分辨率高、 相位噪声小 、 频率稳定度高 、 集成度高、 易于调整及控 制灵活等优点。但 目前已 有 的定 制 D D S芯 片在控 制方 式 、 置频 速率 等方 面 常 常与信号发生 、 通信、 雷达等系统 的要求差距很大 ， 且 不 能实 现修 改 。 现场 可 编 程 门阵 列 F i e l d P r o g r a mma b l e Ga t e Ar r a y ， F P GA 是 在 可 编 程 器 件 基 础 上 发 展 而来 的 一 种 半定制 电路 ， 既解 决 了定 制 电路 的不足 ， 又克 服 了原有 可编 程器 件 门电路 数有 限 的缺点 。F P GA 具 有 规模 大 、 速度 快 、 编 程修 改方 便 、 应 用灵 活 等优势 ， 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 1 0 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 5 2 0 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 北京市 自然科学基金资助项 目 4 1 2 2 0 2 0 。 作者简介 付扬 1 9 6 2 一 ， 女， 辽宁抚顺 人 ， 副教 授 ， 硕 士 ， 主要研 究方 向为 电子技 术应 用 、 嵌 入式 片上 系统设 计及 多媒 体信 息处 理 ， E ma i l f s f y 9 8 8 1 2 6 ． C O rn。 6 O 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 同 时具有 强大 的软 件 支 持 ， 其 发 展 使设 计 满 足 自行 需要的高性能 D DS信号源成为可能[ 】 ] 。 F P GA 的设 计开 发软 件 Qu a r t u s I I 实 现 了硬件 设计 的软 件化 。其 模块 的功 能仿 真避 免 了直接 硬件 设计 不合 适所 带来 的 时 问 和成 本 浪 费 ， 使 设 计 易 于 开发 、 修 改 灵 活 快 捷 。其 内 嵌 入 式 逻 辑 分 析 器 S i g n a l Ta p I I 是 系统 级 的 调 试 工 具 ， 进 一 步 降 低 了 系统 的硬件 设计 难度 ， 满 足 F P GA 开 发 中硬 件 调 试 的要求 ， 对 最终 系统 实 现 的验 证 具有 实 时性 和 可 视 性 ， 减少 了传统 调试 验 证 的时 问 ， 加 快 了设计 周期 。 因此 ， 笔者 采 用 F P GA 和 D D S技 术 设 计 了 一 种 信 号源 ， 其 具 有 可 编 程 、 数 字 化 、 速 度 快 、 分 辨 率 高 等 特点 。 1 信 号源 设计 原理 及方 案 频率 控制字 输 出 脉冲 图 2 4位 累加 器 原 理 累 加 寄 存 器 的 输 出 为 加 法 器 的 输 入 ， 即 Q4 Q3 Q2 Q1 一 B 4 B 3 B2 B1 。 设 频 率控 制字 K 为 A A。 A 。 A 一0 0 0 1 ， 且 累加 器 电路 输 出初 态 为 Q Q。 Q Q 一 0 0 0 0 ， 则在 时 钟 脉 冲 的作 用 下 ， 电路 的 状 态 转换 如 图 3所 示 。可 看 出 电路共 有 1 6个 状 态 ， 相 位 输 出 以 1 6个 时钟 脉 冲 为 周 期 ， 相位 增量 M --0 0 0 1 。 0 00 0 0 001 0 01 0 0 01 1 一 Ol 0 0 f J I 1 I1 0l 0l f I l l 1 0 0l 1 0 f I 1 1 0 1 0 I l 1 f J I 1 0一 】 01 1 1 01 0 1 01 一 l 00 0 3 A4 As Az A 一0 0 0 l时 的 电路 状 态 转 换 电路输 出初 态 为 Q Q。 Q Q 一0 0 0 0时 ， 若 频 率 控制字 K 为 A A。 A 。 A 一0 0 1 0 ， 则 电路 状 态 转 换 如 图 4所 示 。可看 出 电路 共 有 8个 状 态 ， 相 位输 出 以 8个 时钟 脉 冲为周 期 ， 相 位 增量 M一0 0 1 0 。 0 00 0 0 0l O 01 0 0，O1 1 0 f l 1 1 1 0一I 1 00 1 0l 0 1 0 00 图 4 A A。 Az A 一 0 0 1 0时 的 电路 状 态 转 换 依 次 类推 ， 可见 频率 控制 字 K 既 控 制 了相 码增 量值 ， 即 D DS模 型输 出每 个 波 形 的采 样 点 数 ， 又控 制 了输 出信号 的频 率 。若 相 位 累加器 为 N 位 ， 则 有 M K 1 fo M fol k 2 式 中 为 DD S输 出 信 号 频 率 ； f c 为参 考 时 钟 脉 冲频率 。 采样 点数 为 2 N ／ M 。若 。 一定 ， 则 越 大 ， 采 样点数 越 少 。最 小 步进 为 -厂 ／ 2 ， 频率 达 到 最 小 步 进值时， 采样点数最多。设计时根据所要求 的最 高 频率 和最 少 采 样 点 数 可 确 定 - 厂 。 ， 根 据 最 小 步 进 和 _厂 可确 定 』 ＼ ， ， 根 据最 高输 出频率 和最 小步进 可 确定