一種多波信號發(fā)生器的設(shè)計

一種多波信號發(fā)生器的設(shè)計

1第三代頻率合成技術(shù)1973年，美國科學(xué)家j.tinyy、m.rado和b.黃金時代首次提出了直接數(shù)字合成技術(shù)（dds）。DDS是從相位概念出發(fā)、直接合成所需波形的一種新的全數(shù)字頻率合成技術(shù),也是繼直接模擬頻率合成技術(shù)(DAFS)和基于鎖相環(huán)(PLL)的間接頻率合成技術(shù)之后的第三代頻率合成技術(shù)。與傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)相比,DDS具有頻率分辨率高、變頻速度快、相位變化連續(xù)、相位噪聲低、漂移低、易于調(diào)整和集成等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于通信、雷達、導(dǎo)航、儀器儀表等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的普及與發(fā)展,以及DDS技術(shù)的日趨成熟,利用DDS技術(shù)在FPGA平臺上設(shè)計信號源,相比專用DDS芯片,如AD公司的AD985X系列,具有成本低、操作靈活、可在線更新配置等優(yōu)點。本文基于DDS技術(shù),采用分頻方法和ROM查表法,設(shè)計實現(xiàn)了一種可輸出任意起始相位和一定頻率范圍的正弦波、方波、鋸齒波、三角波的信號發(fā)生器。2德國工作原理和設(shè)計2.1相位采樣采樣系統(tǒng)的設(shè)計DDS實現(xiàn)原理是,依據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣定理,對已知信號進行取樣、量化、編碼,將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲于ROM中,然后通過頻率控制字和相位控制字,改變相位累加器的累加溢出周期,進而獲得所需頻率和相位的波形。圖1所示為傳統(tǒng)DDS結(jié)構(gòu),其實質(zhì)是以標準頻率源為基準,對相位進行等間隔的采樣,即將數(shù)據(jù)地址的偏移量映射為相應(yīng)信號間的相位值。該方案由頻率控制字、相位控制字、相位累加器、波形查找表ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。電路工作原理是,頻率和相位控制字由按鍵輸入,在時鐘信號fc的作用下,相位累加器將頻率寄存器中的數(shù)值與相位寄存器中的累加相位數(shù)據(jù)相加,并把結(jié)果存入相位寄存器。相位寄存器一方面將累加結(jié)果反饋到累加器輸入端,繼續(xù)與頻率寄存器中的數(shù)值累加;另一方面,將累加結(jié)果輸出作為波形查找表ROM的地址,查找出相應(yīng)波形的抽樣值,完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。然后,將波形寄存器ROM中的抽樣值輸入到D/A轉(zhuǎn)換器,由D/A轉(zhuǎn)換器將離散的數(shù)字抽樣值轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬波形,再經(jīng)LPF濾除高頻成分和噪聲,就可以得到頻譜純凈的所需頻率的DDS信號。同時,也可將相位控制字與相位寄存器輸出的值相加,得到移相信號的地址碼,經(jīng)波形查找表ROM,D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器,得到所需相位的DDS信號。相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出信號的頻率。2.2新型dds結(jié)構(gòu)原理依據(jù)傳統(tǒng)方案設(shè)計的DDS輸出信號頻率為:其中,K為頻率控制字,N為相位累加器的位數(shù),fc為標準時鐘頻率?？梢钥闯?頻率控制字K控制累加器的輸出最大速度,并且隨著K逐漸增大,每一周期輸出ROM中的抽樣值點數(shù)逐漸減少,導(dǎo)致輸出波形變差、幅度量化噪聲增加。同時,輸出信號的頻率分辨率也取決于K值的大小,當K等于1時,最小頻率分辨率為fc/2N。由上述分析可見,傳統(tǒng)的DDS設(shè)計方案中,波形查找表ROM的抽樣值點數(shù)決定輸出信號的質(zhì)量,因此,要保證輸出信號的質(zhì)量,就必須增大ROM中的抽樣值點數(shù),即增大ROM的容量,一方面將導(dǎo)致波形寄存器ROM的成本提高、功耗增大、可靠性下降,另一方面將導(dǎo)致相位累加器的位數(shù)大幅增加,進一步增大了對硬件資源的消耗。新型DDS結(jié)構(gòu)原理如圖2所示,其本質(zhì)是通過改變兩個相鄰抽樣值的時間間隔來得到所需頻率的DDS信號,即將時間的偏移量映射為相應(yīng)信號間的相位值。該方案用一個N位分頻器和M進制計數(shù)器取代傳統(tǒng)方案中的相位累加器。標準時鐘頻率為fc,在分頻控制字的作用下,經(jīng)N位分頻器后,得到頻率為f的時鐘信號,而f時鐘信號驅(qū)動M進制計數(shù)器進行累加,并輸出相應(yīng)計數(shù)值給ROM,ROM依據(jù)此值查找出相應(yīng)波形的抽樣值,完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。之后,再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器,得到所需頻率的DDS信號。同時,將M進制計數(shù)器的輸出值和相位控制字相加,再送給ROM,可得到所需相位的DDS信號。由以上分析,可以得到新型方案設(shè)計的DDS輸出信號頻率:其中,f為N位分頻器的輸出頻率,M為M進制計數(shù)器的位數(shù)?？梢?在M進制計數(shù)器的位數(shù)一定時,輸出DDS信號的頻率取決于f,而f的大小變化不會影響ROM輸出的抽樣值點數(shù),從而確保了輸出信號的質(zhì)量。相比傳統(tǒng)方案,該方案確保了ROM輸出的抽樣值點數(shù)不受輸出頻率大小變化的影響,這意味著采用相對較少位數(shù)的ROM,即存儲容量較小的ROM,就可以實現(xiàn)較高質(zhì)量信號的輸出,節(jié)省了大量的硬件資源。3sds模塊的設(shè)計和驗證3.1clkup仿真圖3所示為用QuartusII軟件仿真得到的N位分頻器模塊(N=24),仿真驗證結(jié)果如圖4所示。仿真時,輸入時鐘clk_in取100MHz,分頻控制字Key取10MHz,復(fù)位clr取高電平,仿真時間為1ms。由圖4仿真波形可得到clk_out的前8個周期t,結(jié)果列于表1。由圖4和表1可知,分頻器實現(xiàn)了對輸入時鐘的分頻,獲得了預(yù)期效果。3.2改進將式構(gòu)造mif壓縮了lpm將輸出正弦波由DDS原理可知,將正弦波等波形的量化數(shù)據(jù)存儲于ROM中,M進制計數(shù)器逐步累加并輸出地址給ROM,ROM再按照該地址取出相應(yīng)的量化值送入D/A轉(zhuǎn)換器,即可實現(xiàn)正弦波的輸出。在Altera公司的QuartusII9.0中,提供了LPM_ROM,可以采用Matlab或C語言編程生成幅值連續(xù)的正弦波.mif文件,再用QuartusII9.0中的MegaWizardPlug-InManager,在圖5所示模塊配置中將ROM配置為8比特,256字節(jié),即每種波形取256點8位數(shù)據(jù),從而得到波形查找表ROM宏模塊。由于輸出的正弦波信號質(zhì)量取決于ROM表中的抽樣值點數(shù),所以ROM表里存儲的抽樣值點數(shù)越多越好,但ROM表太大,就會占據(jù)芯片的大量資源。對此,任建新等人提出利用正弦函數(shù)對稱性、正弦函數(shù)幅值特性、線性插值法、二次插值法壓縮改進ROM表。本文利用正弦函數(shù)對稱性,取四分之一周期的正弦波量化值存儲到ROM中,即在一個周期只存儲0～π/2的幅度值。4dds輸出正弦波的信號仿真圖6所示為系統(tǒng)仿真輸出波形,正弦波等波形為256點8位數(shù)據(jù),clk_in取10ns,即100MHz,Key為分頻器按鍵,clr為復(fù)位鍵,qout為輸出量化的數(shù)字正弦波值。由圖6(a)可以看出,隨著Key按鍵的調(diào)控(一個上升沿到來),輸出的量化數(shù)字信號所占空白大小明顯變寬,意味著輸出頻率大小發(fā)生改變,由此證實分頻器實現(xiàn)了對輸出頻率的調(diào)控,同時,實現(xiàn)了正弦波、方波、鋸齒波、三角波的輸出,從而證明基于分頻方法的DDS設(shè)計方案是可行的。圖7(a)所示是取樣點為64個時經(jīng)ROM查表輸出的正弦波,圖7(b)所示是取樣點為256個時經(jīng)ROM查表輸出的正弦波?？梢钥闯?隨著一個周期內(nèi)取樣點數(shù)的增加,正弦波越來越光滑,由此也證實了輸出正弦波信號精度取決于ROM中采樣點數(shù)的結(jié)論。在時序仿真時,DDS各輸出端口間無可避免地存在幾ns的時間差,具體表現(xiàn)為很多毛刺。實際中,如果接入D/A轉(zhuǎn)換器,將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號,這些毛刺就不會存在。5樣值片