一種多波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

一種多波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1第三代頻率合成技術(shù)1973年，美國(guó)科學(xué)家j.tinyy、m.rado和b.黃金時(shí)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(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、儀器儀表等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)場(chǎng)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(tái)上設(shè)計(jì)信號(hào)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(diǎn)。本文基于DDS技術(shù),采用分頻方法和ROM查表法,設(shè)計(jì)實(shí)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(hào)發(fā)生器。2德國(guó)工作原理和設(shè)計(jì)2.1相位采樣采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)DDS實(shí)現(xiàn)原理是,依據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣定理,對(duì)已知信號(hào)進(jìn)行取樣、量化、編碼,將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)于ROM中,然后通過(guò)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(jìn)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(shí)質(zhì)是以標(biāo)準(zhǔn)頻率源為基準(zhǔn),對(duì)相位進(jìn)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(hào)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(shí)鐘信號(hào)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(hào)。同時(shí),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(hào)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(hào)。相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出信號(hào)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(jì)的DDS輸出信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率。可以看出,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(diǎn)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(shí),輸出信號(hào)的頻率分辨率也取決于K值的大小,當(dāng)K等于1時(shí),最小頻率分辨率為fc/2N。由上述分析可見(jiàn),傳統(tǒng)的DDS設(shè)計(jì)方案中,波形查找表ROM的抽樣值點(diǎn)數(shù)決定輸出信號(hào)的質(zhì)量,因此,要保證輸出信號(hào)的質(zhì)量,就必須增大ROM中的抽樣值點(diǎn)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(jìn)一步增大了對(duì)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(guò)改變兩個(gè)相鄰抽樣值的時(shí)間間隔來(lái)得到所需頻率的DDS信號(hào),即將時(shí)間的偏移量映射為相應(yīng)信號(hào)間的相位值。該方案用一個(gè)N位分頻器和M進(jìn)制計(jì)數(shù)器取代傳統(tǒng)方案中的相位累加器。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)鐘信號(hào),而f時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)M進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加,并輸出相應(yīng)計(jì)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(hào)。同時(shí),將M進(jìn)制計(jì)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(hào)。由以上分析,可以得到新型方案設(shè)計(jì)的DDS輸出信號(hào)頻率:其中,f為N位分頻器的輸出頻率,M為M進(jìn)制計(jì)數(shù)器的位數(shù)。可見(jiàn),在M進(jìn)制計(jì)數(shù)器的位數(shù)一定時(shí),輸出DDS信號(hào)的頻率取決于f,而f的大小變化不會(huì)影響ROM輸出的抽樣值點(diǎn)數(shù),從而確保了輸出信號(hào)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(diǎn)數(shù)不受輸出頻率大小變化的影響,這意味著采用相對(duì)較少位數(shù)的ROM,即存儲(chǔ)容量較小的ROM,就可以實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量信號(hào)的輸出,節(jié)省了大量的硬件資源。3sds模塊的設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(yàn)證結(jié)果如圖4所示。仿真時(shí),輸入時(shí)鐘clk_in取100MHz,分頻控制字Key取10MHz,復(fù)位clr取高電平,仿真時(shí)間為1ms。由圖4仿真波形可得到clk_out的前8個(gè)周期t,結(jié)果列于表1。由圖4和表1可知,分頻器實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入時(shí)鐘的分頻,獲得了預(yù)期效果。3.2改進(jìn)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(chǔ)于ROM中,M進(jìn)制計(jì)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(shí)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(yǔ)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(diǎn)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(hào)質(zhì)量取決于ROM表中的抽樣值點(diǎn)數(shù),所以ROM表里存儲(chǔ)的抽樣值點(diǎn)數(shù)越多越好,但ROM表太大,就會(huì)占據(jù)芯片的大量資源。對(duì)此,任建新等人提出利用正弦函數(shù)對(duì)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(jìn)ROM表。本文利用正弦函數(shù)對(duì)稱性,取四分之一周期的正弦波量化值存儲(chǔ)到ROM中,即在一個(gè)周期只存儲(chǔ)0～π/2的幅度值。4dds輸出正弦波的信號(hào)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(diǎn)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(gè)上升沿到來(lái)),輸出的量化數(shù)字信號(hào)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(shí)分頻器實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出頻率的調(diào)控,同時(shí),實(shí)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(jì)方案是可行的。圖7(a)所示是取樣點(diǎn)為64個(gè)時(shí)經(jīng)ROM查表輸出的正弦波,圖7(b)所示是取樣點(diǎn)為256個(gè)時(shí)經(jīng)ROM查表輸出的正弦波。可以看出,隨著一個(gè)周期內(nèi)取樣點(diǎn)數(shù)的增加,正弦波越來(lái)越光滑,由此也證實(shí)了輸出正弦波信號(hào)精度取決于ROM中采樣點(diǎn)數(shù)的結(jié)論。在時(shí)序仿真時(shí),DDS各輸出端口間無(wú)可避免地存在幾ns的時(shí)間差,具體表現(xiàn)為很多毛刺。實(shí)際中,如果接入D/A轉(zhuǎn)換器,將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),這些毛刺就不會(huì)存在。5樣值片