基于FPGA的标准正弦波信号源设计

### 基于FPGA的标准正弦波信号源设计 #### 概述 本文介绍了一种利用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）设计的两路相位差可调的程控低频正弦波信号发生器。该信号发生器能够输出频率分辨率为0.1Hz、相位差分辨率为0.1°的正弦波信号，输出波形失真小、频率精度高、稳定性好。设计中采用了单片机结合FPGA器件的方法，使电路设计更加新颖且集成度高，适用于电能表校验等高精度系统。 #### 关键技术点 ##### 1. 数字合成波形发生技术 - **基本原理**：通过数字方法生成所需的波形，利用波形存储器中预存的量化正弦波形幅值表，结合D/A转换和低通滤波器输出平滑连续的正弦波信号。 - **采样点数**：为了满足相位差调节分辨率0.1°的要求，每周期采样点数选为3600点。 - **幅值量化位数**：为减少输出波形失真，幅值量化位数取12位。 ##### 2. 频率合成器 - **工作原理**：频率合成器由分频电路和锁相环倍频电路组成，通过调整倍频系数N来实现所需频率的输出。 - **输出频率计算公式**：\[f_o = N \times f_i\]，其中\(f_o\)为输出频率，\(f_i\)为输入基准频率，N为倍频系数。 - **锁相环的作用**：确保输出频率与输入频率保持精确的比例关系，提高频率稳定性。 ##### 3. FPGA技术的应用 - **优势**： - 可快速实现包含数千个逻辑门的数字系统设计。 - 提高可靠性和集成度。 - 开发周期短，易于实现片上系统。 - **具体应用**：在本设计中，部分频率合成电路、地址计数器和数据选择器等数字逻辑电路采用一片FPGA来实现。 - **器件选择**：选用ALTERA公司的可编程器件EPM7128，该器件包含2500个逻辑门、128个宏单元、68个可配置I/O口，支持在线编程。 - **开发工具**：使用ALTERA公司提供的MAX+PLUS II软件，该软件支持逻辑编辑、编译、功能仿真、时序仿真和时序分析等功能，极大地方便了逻辑电路的设计与配置。 ##### 4. 循环地址发生器与波形存储器 - **作用**：循环地址发生器负责产生访问波形存储器的地址信号，根据不同的计数方式，可以产生不同相位差的正弦波信号。 - **具体实现**：一路循环地址发生器从零开始计数，另一路则从单片机预置的相位常数开始计数。这样可以在时序逻辑电路的控制下，从波形存储器中分时读取对应的数据，实现相位差的调节。 #### 应用场景 - **电力系统校验**：用于电能表校验，要求信号源输出频率和相位差可调节，并具有较高的精度。 - **工业测量**：在各种工业控制系统中作为参考信号使用。 - **教学科研**：作为教学实验设备，帮助学生理解和学习信号处理的基本概念和技术。 #### 结论 基于FPGA的标准正弦波信号源设计充分利用了数字合成技术和FPGA的优势，实现了两路相位差可调的低频正弦波信号发生器。该设计不仅提高了信号源的性能指标，还简化了电路结构，降低了成本，适用于多种应用场景。