摘要：系統(tǒng)利用直接數(shù)字頻率合成技術(DDS)完成任意波形發(fā)生器設計，以FPGA作為核心控制器件，用FLASH和RAM作為波形數(shù)據(jù)存儲模塊，在上位機軟件的控制下，利用高精度D／A轉換器，實現(xiàn)正弦波、方波、三角波、鋸齒波、高斯白噪聲等任意波形輸出。系統(tǒng)可廣泛用于通訊、遙控遙測、震動激勵和儀器儀表等領域。

隨著數(shù)字信號處理技術的飛速發(fā)展，高精度大動態(tài)范圍D／A轉換器的出現(xiàn)和廣泛應用，基于取樣技術和計算技術，通過數(shù)字方法生成頻率和相位相對固定且可調(diào)的合成技術，即直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術日益成熟，它采用全數(shù)字化結構，具有頻率分辨率高、相對帶寬寬、頻率轉換速度快、相位噪聲低、信號純度高等優(yōu)點。因此，本系統(tǒng)采用DDS技術來完成任意波形發(fā)生器設計。

1 DDS工作原理

直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術是一種以采樣定理為基礎的全數(shù)字化波形產(chǎn)生方法。DDS頻率合成器主要由相位累加器、波形數(shù)據(jù)存儲器、D／A轉換器和低通濾波器組成，其原理框圖如圖1所示。在一個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)，相位累加器將前一次的累加值與頻率控制字相加，得到新的累加值，將新的累加值作為地址，從波形數(shù)據(jù)存儲器中讀取信號的幅度值，送入D／A轉換器將數(shù)字信號轉換為模擬信號，最后再經(jīng)低通濾波器生成需要波形。其中波形數(shù)據(jù)存儲器中存儲了周期信號單個周期的幅度值，相位累加器每溢出1次，可從波形數(shù)據(jù)存儲器中讀取1個周期的信號幅度值。因此，若假設頻率控制字為K，相位累加器為N位，則經(jīng)過個系統(tǒng)時鐘周期，可產(chǎn)生1個周期的輸出信號，再設系統(tǒng)時鐘頻率為fsclk，則輸出信號頻率。

2 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。其中，上位機軟件由LabWindows軟件編寫，用于控制信號的產(chǎn)生，下位機以FPGA作為核心控制器件，主要用于接收上位機發(fā)送的控制命令和信號參數(shù)，并控制下位機系統(tǒng)產(chǎn)生對應波形。下位機系統(tǒng)主要分為FPGA控制單元、波形存儲單元、波形產(chǎn)生單元。波形存儲單元主要包括FLASH和SRAM，F(xiàn)LASH用于存儲各種波形數(shù)據(jù)，波形產(chǎn)生時，F(xiàn)PGA先將要產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)從FLASH讀入SRAM，再利用相位累加器的累加值從SRAM中讀取波形數(shù)據(jù)。波形產(chǎn)生單元主要完成波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，首先將SRAM讀出的波形幅度數(shù)據(jù)送入D／A轉換器，產(chǎn)生信號的階梯序列波，再通過低通濾波器和功率放大電路產(chǎn)生輸出信號。

3 系統(tǒng)硬件設計

3．1 FLASH連接電路圖

FLASH采用美國飛索半導體公司的S29AL032D，其容量為32 MB，它用于存儲各種波形的幅度信息，其存儲形式如圖4所示。

由圖4可知，地址區(qū)間0x000000～0x01FFFF存儲正弦波幅度值，地址區(qū)間0x020000～0x03FFFF存儲三角波數(shù)據(jù)，地址區(qū)間0x040000～0x05FFFF存儲鋸齒波數(shù)據(jù)，地址區(qū)間0x060000～0x07FFFF存儲白噪聲數(shù)據(jù)，地址區(qū)間0x080000～0x0FFFFF為4個用戶自定義區(qū)，存儲4種用戶需產(chǎn)生的周期波形數(shù)據(jù)。

 3．2 RAM連接電路圖

RAM采用美國芯成半導體公司的IS61LV25616AL-10T，其容量為256×103×16 bit，主要用于存儲上位機發(fā)送的控制命令及波形產(chǎn)生時信號的幅度值，其存儲形式如圖6所示。

地址區(qū)間Ox00000～0x1FFFF存儲上位機發(fā)送給下位機的控制命令和數(shù)據(jù)參數(shù)，地址區(qū)間Ox20000～Ox2FFFF存儲系統(tǒng)要產(chǎn)生信號的波形幅度值。

3．3 信號產(chǎn)生電路連接圖

圖7為任意信號產(chǎn)生的電路連接圖，產(chǎn)生信號頻率范圍為50 Hz～200 kHz。其中，AD768為16位高精度D／A轉換器，其最大更新速率可達40Msps，滿足設計要求。

4 系統(tǒng)軟件設計

4．1 上位機軟件設計

上位機部分由Labwindows軟件編寫，主要負責對下位機系統(tǒng)的控制，包括對信號頻率、幅度、相位(占空比)的設置，信號波形的選擇，用戶自定義波形數(shù)據(jù)的輸入等，其控制面板如圖8所示。

4．2 FPGA軟件設計

FPGA為系統(tǒng)的核心控制單元，負責與上位機軟件通信及控制下位機系統(tǒng)產(chǎn)生任意波形。

4．2．1 與上位機通信模塊設計

上位機與下位機的通信是通過RS232來實現(xiàn)的，F(xiàn)PGA主要用于接收RS232發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并將其存入外部RAM中，通信模塊如圖9所示。

RS232_Controller模塊用于接收上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，RS232的速率為115．200 kB／s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位。data_bu-ffer將RS232_Controller接收的數(shù)據(jù)緩存，并按接收先后順序組合成16位數(shù)據(jù)后送入RamWrite。RamWrite再將這些16位數(shù)據(jù)從地址0x00000開始存入外部RAM中。

4．2．2 接收數(shù)據(jù)處理模塊

本模塊主要用于分析和處理接收到的上位機數(shù)據(jù)，從中提取出信號的數(shù)據(jù)信息、各項參數(shù)及控制命令，如圖10所示。

當RS232發(fā)送數(shù)據(jù)完成時，接收數(shù)據(jù)處理模塊立即從地址0x00000開始讀取RAM中的數(shù)據(jù)。當?shù)?個數(shù)據(jù)和第2個數(shù)據(jù)分別為16'hAAF0和16' hBB55時，則第3個數(shù)據(jù)的高8位為命令控制字，否則接收數(shù)據(jù)處理模塊停止讀取RAM中的數(shù)據(jù)。8位命令控制字各位所代表含義如下

用A代表命令控制字，A[n]代表命令控制字的第n位數(shù)據(jù)，則：

當A[15]為1時表示存儲用戶自定義波形數(shù)據(jù)，為0時表示任意波形的產(chǎn)生。當為波形存儲時，A[14：8]為0表示將波形數(shù)據(jù)存入用戶自定義1區(qū)，為1表示存入2區(qū)，為3表示存入3區(qū)，為4表示存入4區(qū)。從讀取的第4個數(shù)據(jù)開始即為用戶自定義波形數(shù)據(jù)，共65 536個，再以16'h65 80和16'h0856作為結尾，其存儲形式如圖12所示。

當為任意波形產(chǎn)生時，A[14：11]為0表示產(chǎn)生正弦波；為2表示產(chǎn)生方波；為3表示產(chǎn)生三角波；為4表示產(chǎn)生鋸齒波；為5表示產(chǎn)生高斯白噪聲；為6表示產(chǎn)生用戶自定義1區(qū)波形；為7表示產(chǎn)生用戶自定義2區(qū)波形；為8表示產(chǎn)生用戶自定義3區(qū)波形；為9表示產(chǎn)生用戶自定義4區(qū)波形。從RAM中讀取的4個16位數(shù)據(jù)分別代表要產(chǎn)生波形的頻率(32位)、幅度、相位(方波時為占空比)控制字。其數(shù)據(jù)存儲形式如圖13所示。

4．3 FLASH數(shù)據(jù)存取模塊設計

此模塊用于波形數(shù)據(jù)的存儲和讀取。在信號產(chǎn)生模式時，它根據(jù)Sig_Type[3：0]輸入的數(shù)據(jù)判斷需產(chǎn)生的波形，再從FLASH中讀取對應波形的數(shù)據(jù)信息并存入RAM中。當Sig_Type[3：0]為1時表示產(chǎn)生正弦波；為2時表示產(chǎn)生方波；為3時表示產(chǎn)生三角波；為4時表示產(chǎn)生鋸齒波；為5時表示產(chǎn)生高斯白噪聲；為6時表示產(chǎn)生用戶自定義l區(qū)波形；為7時表示產(chǎn)生用戶自定義2區(qū)波形；為8時表示產(chǎn)生用戶自定義3區(qū)波形；為9時表示產(chǎn)生用戶自定義4區(qū)波形。

4．4 波形產(chǎn)生控制模塊

模塊利用DDS技術控制AD768產(chǎn)生任意波形信號，如圖15所示。

fre_ctrl，amp_ctrl，phase_ctrl分別為波形的頻率控制字、幅度控制字和相位控制字。clk為此模塊的控制時鐘，它的6分頻時鐘為32位相位累加器時鐘。在一個相位累加器時鐘周期內(nèi)，模塊以累加器的高16位累加值、相位控制字及18'h20000之和作為RAM地址，從RAM中讀取波形信號的數(shù)據(jù)，設此數(shù)據(jù)為data，則D／A輸出的數(shù)據(jù)為，然后再在clk_da的上升沿將此數(shù)據(jù)送入AD768，依次循環(huán)，則AD768的輸出將產(chǎn)生階梯狀的信號波形，再經(jīng)過低通濾波器和功率放大器即可得要產(chǎn)生的波形，圖16為系統(tǒng)產(chǎn)生的5V、200kHz正弦信號。

5 結束語

完成了任意波形發(fā)生器的設計，完成了系統(tǒng)硬件路的設計及軟件編程，經(jīng)測試，系統(tǒng)可產(chǎn)生50Hz～200kHz頻帶內(nèi)的正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲等常用信號，該信號發(fā)生器具有頻率分辨率高，頻率轉換速度快、信號純度高、產(chǎn)生信號種類多等優(yōu)點。可廣泛應用于通信系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、儀器儀表、電子對抗及遙控遙測等領域。