论文研究-基于FPGA的任意信号发生器 .pdf

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基于FPGA的任意信号发生器,王卓阳,韩云峰,目前我们使用的信号发生器主要由集成式DDS芯片或FPGA加高速D/A的方案来实现。集成式DDS芯片使用不灵活,而对于FPGA加高速D/A的设计方案�
国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 度为100Hz则要求8.64Mhz,山FPGA倍频后分频得到。 系统的设计与实现 本系统的总体设计是实现一个双向信号发生器,利用DDS思想,在8kHz到12kHz的频 率范围内输出正弦波,信号幅度和相位差可以程控设置,也可以输岀矩形波和方波.输出信号 的频率准确度为0.1%,相位精度达到0.1%,幅值在4.0V的情况卜达到幅度分辨率12biL 同时输出矩形波的占空比在范围0.1%99,9%内可调。 将FPGA的ROM表中存储上正弦波对应的PWM信号。第一路用FPGA产生PWM 信号,后经过低通滤波器产生正弦波。通过定时器改计延时,产生第二路PWM信号0到 3599实现相位搬移。将两路信号送到放人器,将低通滤波器输出的信号放人到4V。继 电器选通输出,矩形波信号通过继电器,送入比较器,与参考电压进行比较,实现占空比连 续可调。将输出的信号送到数字电位器衰减,前方射随输出后经过数字电位器,实现幅度可 调,利用两个8bit数字电位器实现幅度12bit的分辨率。 系统的组成 整个系统由键控电路、液品显示电路、频率控制电嵱、相位控制电路、波形选择、波形 地址分配器、存储波形数据的存储器、低通滤波器、比较器和输出电路构成.系统可输出止 弦波、锯齿波、方波以及可作为数字电路时钟使用的且占空比可调的矩形波信号。其系统结 构如图2所示 抄f 分圻fc 比七较 电路 方波输 频率掉制字 单片机键控 波形 波形输 相位控制字 产生 波形控制 液晶显示部分 图2系统结构框图 Fig 2 Block Diagram of the System 数字电路部分的设计与实现 木系统的PWM信号是由 Xilinx Spartan3 E FPGA将PWM波形存储在ROM表中,实 现所要求脉宽的脉冲信号。利用查表时候的顺序实现相位的移动。ROM中存储了86400个 点,即0.1度的相位差由24个点代表,理论精度可达到0.1°/24,同时利用FPGA强大的接 口功能,与MsSP430进行相互间的通信,实现MSP430对FPGA输出信号的调控。PWM信 号产生过程如图3所示 3 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 100Hz正弦 改变查表间隔改 变频率 改变初值改变相}W脉冲 位 查表 低通滤波器 正弦 图3PWM信号产生流程图 Fig 3 Flow diagram of PWM signal generation 本系统的键控部分和液晶显示部分由单片机控制,键盘采用4*4矩阵式键盘,设置了数 字键部分,频率相位切换键,波形切换键,单位切换键,清除键以及确认输岀键等功能键。 液晶显示屏以显示泼形、单位、频率、相位以及错误提示功能.单片机选择T公司的MSP430 单片机,3.3V供电电源使其可与FPGA引脚无缝连接。 模拟电路部分的设计与实现 正弦信号的产生由PWM信号经过RC滤波得到。FPGA产生的PWM信号经过个 RC滤波输入OP656构成的射随器,将输出信号做为 MAXIM274的输入信号。用·个 MAXIM 274实现两路四阶低通滤波器,输岀得到个止弦信号。要求RC滤波的电阻电容基本相同, 同时要求MAXM274实现的四阶滤波器电阻对称。 矩形波由正弦信号经比较器得到。系统利用运算放大器实现比较器功能,正弦信号经 过比较器以后,利用施密特触发器进行波形整形,可避免由于比较器摆率不足而导致的占空 比精度下降。比较器选用TLE2141,其摆率为27V/μs。施密特触发器支持的最窄脉冲宽度 为22ns。而如果占空比要达到0.1%则要求最窄脉冲占正弦波的0.36°,83ns,则要求电压基 准的要达到25uV。我们利用电压基准Re02和电位器组成分压电路,理论上由于Refo2的 噪声为10μV,可以满足占空比岀矩形波的占空比在范围O.1%~999%内可凋。 由于方波以及矩形波的幅度放人较为困难,本设计采用先将正弦信号放人到4.0V之 后用数字电位器进行衰减,此方式可降低幅度调节电路对频率特性的要求。衰减电路由一片 8bit的数字电位器①DS267)组成一个12bit的衰减电路,从而实现对输出信号的幅度控制。 实验结果及分析 木文设计的多路信号发生器,可直接用于低成木、高相位要求的应用场合,该设计已经 应用于实践,收到良好的效果。其原理样机如图4所示。 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 排 nrel dardA 21。/0s/1812:35AM 图4仟意信号发生器原理样机 Fig 4 Prototype of the arbitrary function waveform generator 本系统产生的两路正弦信号测试结果如图5所示,其中止弦信号之间的波形可以独立调 节,同时相位关系也可调节,最人幅度为4.0V,相位差为0.1度,实际测试值为88.06毫度, 符合设计指标。 (1+( Phase 1了8, CuRseS 图5两路正弦波信号 Fig 5 Output sine waves of two channels 本系统亠生的两路方波信号如图6所示,其占空比可调,两路信号的占空比设定分别为 0.1%和999%。实际测结果分别为0.12%和9990%,符合设计要求 4琴 A.n niV 1 2.UU V +Duty Low reso luton Remove indicators Meas urement Measureme CLESEIS 图6两路矩形波信号 Fig 6 Output rectangular waves of two channels 本系统设计要求两路信号的幅度分辨率均达到12bit,两路信号幅度部分实测值如表1 所示,通过表1的实测值可以看出,本信号发生器的分辨率已经完全达到设计要求,其幅度 漂移主要由噪声引起。 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 表1输出信号幅度对比表 Tab 1 Correlation table of the output signal amplitudes 度(进制)幅度(十进制)第1路实际输出幅度第2路实际输出幅度 4096 4.00000 4.00003 4.00003 4095 3.99902 3.999l1 3.99912 4094 3.99805 3.99799 3.99798 0.00000 0.00005 0.00003 0.00098 0.00093 0.00099 2 0.00195 0.00189 0.00196 本系统设计基于DDS的思想,通过改变查表间隔实现频率改变,通过改变查表的起始 位置实现相位改变,将倒铥齿波截取正弦波所得数掂作为PWM信号,经过低通滤波器后 生成相位频率均可调节的正弦信号。该信号发生器不需要使用高速DA得到任意信号,可 以很好的满足教学、实验用信号源低成本的要求。通过理论计算和实际测量比对可以看出, 基于本方案实现的信号发生器输出信号类型多,其幅度、相位、分辨率等精度高,满足设计 要求,说明本设计方案是切实可行的 参考文献 [1]胡广书数字信号处理理论、算法与实现ⅣM]北京:华人学出版社,2003:519523 姜田华.实现直接数字频率合成器的三种技术方案电子技术应用,2004(3):1 [3]胡海兵姚文煕江辉鸿刑岩,吕征宇任意路通用PWM波形发生器的设计[J电工技术学报.2008年第23 卷第12期,pll5-p119魏权利基于FPGA的新犁PWM三相波发生器研究小机械与电子20094 [4]責雪梅,胡建生,魏功辉,等DDS技术实现可调信号发生器[现代电子技术,2008,31(9):80-81 [5]周国富基于FPGA的并行DDS[电子技术应用,2007,(10)41-43 [6]蔡丽,翟小东,高云红基于FPGA技术的多功能信号发生器设计仪表技术,2007(8):16-20 7」张厥胜,曹丽娜锁相与频率合成技术LM成都:电子科技大学出版社,1995 [8]饯永青基于DDS技术正信号发牛器的设计现代电子技术,200831(21:104-105 [9]余勇,郑小林基于FPGA的DDS设计和实现科技广场,205(5):95 L0孟玉清贾怀义陶成DDS中几种关键的ROM压缩方法小天津通信技术,204(1) [1]潘毅李栋,龚建荣数字频率合成器的FPGA实现[压外电子元件,20048):53-56 2]侯伯亨,颐新VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M]西安:西安电了科技大学山版社2003 [13]潘松,黄继YEDA技术使用教程M]北京科学出版社,2002 [14]黄智伟,FPGA系统设计与实践第版电」工业出版社,2005 15]鲜花李众立楚红雨基丁Nios的DDS高精度信号源实现凹微计算机信息,2065-2:190-192. [16]刘云仙ⅤHDL在数字电路设计中的应用门浙江科技学院报,2004(9):167-168 7董文车,王仁煌,基丁MSP430单片机的低功耗系统设计.单片机与嵌入式系统应用,2003(6). 8]沈建华,杨艳,翟骁曙MSP430系列16位低功耗单片机实践与系统设训北京:清华大学出版社,2005 [19]魏小龙MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例北京:北京航空航天大学出版社,202. 「20邹江峰,刘涤尘MSP430在液晶显示上的应用液品与显示,2005,Vol20,No,2 「21]王志功景为平,孙玲编著集成电路设计与工具「M.东南大学出版社. [22]Tierney. A Digital frequency synthesizer[].IEEE Trans AEV, 1971, 19(1): 48-57 [23]Rochit Rajsuman. Systcm-on-a-chip Dcsign and Test[M]. Advantest Amcrica R&D Ccntcr 2000 [24 Cabiati F, Pogliano U High-Accuracy Two-Phase Digital Generator with Automatic Ratio and Contorl UJ.IEEE Trans on Instrumentation and Measurement, 1999, 36(2): 411-417 [25]Xilinx DDS Compiler vI [M]. 1 datasheet, 2006: 2-4

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