（信号与信息处理专业论文）用于直角电桥的信号发生器的设计.pdf

摘要 直角电桥在电学计量领域有着重要的应用，主要用于实现非同类阻抗的比较测量， 直角电桥的具体结构有很多种，但是无论结构怎样，一对幅值相等、相位相差9 0 度的 直角电压源是必需的部件。直接数字式频率合成器( d d s ) ，与传统频率合成器相比，可 以方便的对相位进行调节，并且其具有较高的频率分辨率、可以实现快速的频率切换， 并且在频率改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制。 d d s 的这些特性使得其非常适合用作直角电桥中电压信号源。 本文首先论述了d d s 在直角电桥测量中的作用，并与传统的产生直角电源的方法 做了比较。然后介绍了d d s 的基本工作原理和结构，最后介绍了系统的软硬件设计， 并给出实验结果。 在系统设计的过程中，本文以a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p 3 c 2 5 q 2 4 0 c 8 为核心， 利用开发工具q u a r t u si i 并结合硬件描述语言v e r i l o gh d l 设计了一种频率、相位、 幅度可调的信号发生器。本文详细阐述了该信号发生器的体系结构，并进行了软硬件 的设计和具体电路的实现。实验结果表明，系统的稳定性等指标均达到了设计要求， 且具有使用简单、集成度高等特点。 关键词：信号发生器；d d s ；f p g a ；直角电桥 a b s t r a c t q u a r d r a t u r eb r i d g ep l a y sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nm e t r o l o g ya r e a ，i ti sm a i n l yu s e dt o i m p l e m e n tn o n 。s i m i l a rc o m p a r i s o no fi m p e d a n c em e a s u r e m e n t ，q u a r d r a t u r eb r i d g eh a s v a r i e ss t r u c t u r e ，b u tr i om a t t e rh o wt h es t r u c t u r ei s ，ap a i ro f e q u a la m p l i t u d ea n dp h a s e d i f f e r e n c eo f9 0q u a r d r a t u r ev o l t a g es o u r c ei sr e q u i r e d d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ( d d s ) ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , c a nb ee a s i l ya d j u s t e dt ot h e p h a s e ，f u r t h e r m o r e ，i th a sh i g hf r e q u e n c yr e s o l u t i o n ，a n df a s tf r e q u e n c ys w i t c h i n g ，i tc a n m a i n t a i n ec o n t i n u o u sp h a s ei nc h a n g eo f f r e q u e n c y , i ti se a s yt oi m p l e m e n tf r e q u e n c y , p h a s e a n da m p l i t u d em o d u l a t i o n t h e s ec h a r a c t e r i s t i c so fd d s m a k ei tv e r ys u i t a b l eq u a r d r a t u r e b r i d g ev o l t a g es i g n a ls o u r c e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed d s u s a g ea tq u a r d r a t u r eb r i d g em e a s u r e m e n t ，a n dc o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lq u a r d r a t u r ev o l t a g es o u r s e t h e ni n t r o d u c e dt h eb a s i cw o r k i n g p r i n c i p l ea n d s t r u c t u r e ，a n df i n a l l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r e a n ds o f t ：w a r es y s t e md e s i g na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ep r e s e n t e d i nt h es y s t e md e s i g np r o c e s s ，t h i sp a p e rs e ta l t e r af p g a c h i pw h i c hn a m e d e p 3 c 2 5 q 2 4 0 c 8a st h ec o r e ，u s i n gq u a r t u si ia n dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o g h d lt od e s i g na f r e q u e n c y , p h a s e ，a m p l i t u d ea d j u s t a b l es i g n a lg e n e r a t o r d e t a i lt h e a r c h i t e c t u r eo ft h es i g n a lg e n e r a t o ra n dc o n d u c t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fs p e c i f i cc i r c u i t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e r e a c h e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n di ss i m p l et ou s ea n dh a s h i g hi n t e g r a t i o n ，e t c k e yw o r d s ：s i g n a lg e n e r a t o r ；d d s ；f p g a ；q u a d r a t u r eb r i d g e liiii- 3 唧3402洲y 青岛人学硕士学位论文 第一章引言 1 1 选题的背景和意义 直角电桥主要用于实现非同类阻抗的比较测量，其在电学计量领域有着重要的应 用，电阻的绝对定标就需要通过直角电桥由计算电容标准导出。直角电桥的具体结构 有很多种，但是无论结构怎样，一对幅值相等、相位相差9 0 0 的直角电压源是必需的部 件。传统的产生直角电压的方法有两种：一种是通过阻容移相网络方法来实现，一种 是通过运算放大器移相电路实现。阻容移相网络的信号稳定性较好，但输出阻抗大； 微分或积分放大器方法的输出阻抗较小，但是稳定性方面不够理想，采用有源器件还 会增加桥路的噪声。川另外，上述两种方法都必需通过可变电阻和可变电容实现相位 和幅度的微调，可调范围小，调节复杂。直接数字式频率合成器( d d s ) ，与传统频率合 成器相比，可以方便的对相位进行调节，并且其具有较高的频率分辨率、可以实现快 速的频率切换，在频率改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的 数控调制1 2 l ad d s 的这些特性使得其非常适合用作直角电桥中的电压信号源。 1 2 研究动态 1 2 1 频率合成器的种类与发展3 1 ( 1 ) 锁相式整数频率合成器 锁相式频率合成器是采用锁相环( p l l ) 进行频率合成的一种频率合成器，可分为 整数频率合成器( 如图1 1 所示) 和分数频率合成器。由于整数频率合成器的输出信号 频率是参考信号的整数倍，因此称为整数频率合成器。这种合成器的输出信号的最小 频率间隔与参考频率相同，导致其应用有局限性。 f r 题沙参耋期器 参考振荡器 + r 出 + n 图1 i 锁相式整数频率合成器 ( 2 ) 锁相式分数频率发生器 锁相式分数频率合成器的输出信号频率不必是参考信号频率的整数倍，而可以是 参考信号频率的小数倍，所以称为锁相式分数频率合成器。与整数频率合成器相比， 小数频率合成器精度高、相位噪声低、调整时间短，且参考信号泄露小。 第一章引言 ( 3 ) 直接合成模拟式频率合成器 直接合成模拟式频率合成器是频率信号源中最早出现的一种合成器类型。这种直 接合成器的优点在于频率转换时间短，可以产生任意小的频率增量。但是这种频率合 成器逐渐被锁相式频率合成器、直接数字式频率合成器所取代。 ( 4 ) 直接数字频率合成器 直接数字频率合成器，即d d s ，是一种基于相位概念的直接合成所需波形的数字 频率合成技术。美国学者于1 9 7 1 年第一次提出了d d s 技术4 1 0 同传统的频率合成技术 相比，d d s 技术变频速度快、相位噪声低、频率分辨率高、变频相位连续、比较容易 调制多种输出信号，发展迅速；但是，d d s 也并不是完美的，其原因主要是合成信号 的频率较低、频谱不纯“1 等。近些年来，d d s 技术主要用于g p se 6 1 国防7 1 等领域。 1 2 2 以往的研究方法 不同相角阻抗的比较硌1 在实际应用中，经常需要比较不同相角的阻抗，例如比较电容和电阻，电阻和电 感等。在经典交流电桥的家族中，有不少桥路就是专门设计用于进行此类比较的，例 如著名的麦克斯韦电桥、维恩电桥等。但这些电桥采用阻抗元件构成比例，准确度只 能达到l o 巧量级。采用感应耦合比例臂能大幅提高电桥比例准确度，使阻抗比较的准 确度达到1 0 量级；但感应耦合比例臂只能提供同相或反相比例，所以，一般来说只 能用于比较相同相角的阻抗或同类型阻抗。 为了使感应耦合比例臂电桥也能用来比较不同相角的阻抗，已经设计出了一系列 的电桥线路。 ( 一) 阻容相移网络 电阻器和电容器都是能达到很高准确度的元件，将两者的阻抗进行精密比较是很 有用的。但是，电阻的阻抗和电容的容抗在相位上相差9 0 0 ，而能得到准确比例的感应 耦合比例臂只能给出0 0 和1 8 0 0 的相角，因此不能直接接成比较电阻和电容的桥路。 如果能够得到不同相角的电动势，在原则上就能构成比较不同相角阻抗的电桥。 图1 2 所示为一阻容相移网络，其特点是两个电动势大小相等，相位相差1 8 0 0 。 2 青岛人学硕士学位论文 r u x c 点的电压为 u。：u!l-ujwc：鲎u：一1-(wcr)2-2jwcr 。 一1 + w c i + j w c r1 + ( w c r ) 2 r 。 1 - ( 1 ) 如果要在点取得与电动势正交的电压，可令虬= - j u ，得 1 - ( w c r ) 2 - 2 1 j w c r ：一，u i + ( w c r ) 2 。 1 ( 2 ) 根据虚实部相等，可得 1 - ( w c i r ) 2 ：0 1 + ( w c r y 1 ( 3 ) 2 w c r 。 = = _ 1 + ( w c r ) 2 1 ( 4 ) 可得w c r = l 。 这样，只要知道电源的角频率彩，就可得到电容c 与电阻r 之间的比例关系，众 所周知，角频率的测量是较容易的，市售的普通小型频率计就可达到l o - 7 量级的准确 度。 这样的无源网络虽然简单，但其稳定性及达到的移相准确度均不很理想。1 、u ，的 电压不能精确等于一j u ，电阻r 和电容c 上会有小电感、小电容等不纯量，影响它们 的准确度。2 、r 和c 不稳定，比如电阻的阻值会随温度的变化而变化等。 ( 二) 运算放大器移相电路9 1 图1 2 中的无源网络给出的直角电压容易受r 、c 及频率变化的影响，带负载的能 力也很差，所以准确度不高。如果改用图1 3 所示的运算放大器，则可改善移相准确度。 以图1 3 中的积分放大器为例： 坠：1 _ 唬删 1 ( 5 ) 3 订 第一章引言 c 图1 3 积分放大器 因此，这种移相电路输出电压与输入电压之间总是相差9 0 0 ，缈、c 、r 的数值改 变只影响u 删的幅度。同时，由于运算放大器的输出阻抗低，带负载能力强，所以这 样的移相电路的准确度比图1 2 的无源网络为高。 图1 4 中微分放大器的输出电压与输入电压之间的关系为 当量 毕：c r 1 ( 6 ) r 图1 4 微分放大器 因而也能移相9 0 0 ，其优点和积分放大器相近。 积分放大器和微分放大器的差别在于，积分放大器能降低高频噪声及电源中的高 频分量，因而输出波形较好；但有可能放大低频干扰信号( 如5 0 h z 工频信号) 。微分 放大器与之相反，能抑制低频干扰，但会放大电源的高频分量及高频噪声。 ( 三) 可任意调相的数字合成电源 从上面所述的一些方法可以看到，采用模拟方法得到高准确度的移相电路是比较 困难的。8 0 年代发展起来的数字技术则为不同相角阻抗的比较开辟了一条全新的路径。 图1 5 是一种数字合成电源的示意图，其中的主要器件是高b i t 的d a 转换器，在查找 表中存贮了正弦函数的数值。每隔一定时间，脉冲发生器就给出一个推动脉冲，使地 址计数器加l 。这样，查找表的输出就是正弦函数在下一点的数值。随着脉冲的序列的 输入，d a 转换器就输出一个阶梯型的近似| 下弦波。这种j 下弦波的优点是起始相位可 以任意改变，只需要地址计数器的预置值即可。因此，利用这种方法可以在0 0 3 6 0 0 的范围中得到任意数值的移相量。 4 青岛人学硕士学位论文 图1 5 由数字合成源比例臂构成的数字电桥 图1 5 中，用两路数字合成源比较不同相角的阻抗的电桥，此线路中用一个脉冲源 推动两路数字合成源。两路电源的相位差可以方便的用变化其中一个电源的起始相位 地址来实现。如图1 6 ，地址计数器为1 3 b i t ，对应每一地址的r o m 查找表单元中存放 着正弦函数的数值( 1 6 b i t ) ，r o m 查找表的输出推动d a 输出模拟量。由于两路地址 计数器的预置值可以任意变化，因此这样的桥路可方便的用来比较不同相角的阻抗。 图1 6 系统流程 此电桥的缺点在于数字电路的输出是阶梯式的，不够平滑；如后接模拟滤波器， 则又会引起附加相移，损害电桥的准确度。另一方面，一个正弦周期内要容纳许多阶 梯，而d a 线路的工作频率是有限的，所以这种电桥不易得到很高的工作频率。但是 从长远来看，由数字合成源比例臂构成的数字电桥是很有发展前途的；而且，数字电 路易于和计算机配合，在各种自动测试系统中得到应用。因此，这种的电桥受到了广 泛的重视。 通过数字双正弦信号发生器进行的电阻和电感的比对的不确定度可以达到l o 7 量 级，如果把d a 转换器替换成实验室用的更短建立时间，更高精度的同类产品，不确 定度的继续降低也是有可能的。当然，信号发生器的操作范围并不局限于以上应用， 数字双正弦发生器可以用于任意电导之间的对比，测量的自动化也是可以比较容易达 到的。 ( 四) 电桥的测量1 0 1 之前的电桥测量中，电阻电容的比对是由双数字j 下弦波发生器驱动的。信号源给 电桥提供相角相差9 0 0 的电压u 和【，电桥的一个臂就是信号源本身，另一臂由比对 5 第一章引言 电阻和电容组成。通过相位敏感的指零仪来判断电桥是否平衡。一般指零仪前需要过 滤器来抑制干扰电压。 电导和电纳的比对是通过两个测量计算出来的。第一个测量由连接电阻的u = u 和连接电容的= j u 来实现，分压器的参数为n 和。互换信号源后，u = j u 接电 容而以= u 接电阻，参数为分别为岛和。为了避免因为互换信号源引起的误差。导 纳的平均值大致可以通过1 ( 7 ) 式得到， ( 争一j 1 一华一半】 上2 1 - ( 7 ) 计算显示如果信号源振幅和相位误差在测量中都是常数，那么它们将不影响导纳的比 率。 将1 ( 7 ) 式的实虚部分开 l ：1 一旦鱼 缈c 2 2 1 ( 8 ) i - - l 旦+ 盟：一卫量 c z ( c o c 2 ) 2 2 1 - ( 9 ) 其中g l 为电阻的电导，c 2 为电容器件的电容。c l 和g 为器件的寄生参数。在有信号 源互换误差的情况下，如果在计算导纳比率的等式中，分压器参数计入振幅和相位误 差，比如 c 护巾一半+ 学一孚+ 半， h 1 ( 1 0 ) 式说明信号源的短期稳定度限制了电桥的精度。通过文献0 1 可知，直角电桥 所测得值与数字电桥所测得的值相差不大于5 5 l o ，这个值在主要由信号源短期稳 定度决定的数字电桥测量的标准误差内。 1 3 本文的研究动机 理想的d d s 满足以下三个条件的d d s 1 0 l t i l l ： ( 1 ) 相位累加器的输出全部用来作为寻址r o m 的地址码。 ( 2 ) r o m 查找表：存储的幅度数值没有量化误差，即d a 的分辨率为无穷大。 ( 3 ) d a 不存在转换误差，完全理想。 但实际应用中d d s 不可能完全理想，本文利用基于f p g a 的d d s 来产生直角电 桥所需的直角电源，是因为用f p g a 实现d d s 技术比较灵活，而且基于f p g a 的d d s 信号源可在一片f p g a 芯片上实现信号源的产生和控制，只需改变r o m 表中存储的 r o m 数据，就可以灵活的对波形进行控制。基于f p g a 的d d s 信号源可以实现很多 复杂的功能，具有很高的性价比。 6 青岛大学硕十学位论文 1 4 本文的研究内容与研究方法 本论文的主要内容如下： 1 、对d d s 的原理、特点进行研究、分析； 2 、根据d d s 原理和特点，利用f p g a 开发d d s 模块，并对设计过程和结果进行 分析； 3 、设计d d s 硬件电路，包括设计f p g a 芯片电路以及外围电路； 4 、编写系统软件，完成对频率控制字的输入的相应的转换以及相位变化等； 5 、使用相关测量仪器，测量了d d s 的参数和功能。 本文的研究方法： 本文介绍的频率发生器不是测量仪器，而是根据要求，作为激励源，仿真各种测 试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。本文设计的用于直角阻抗比 较的直角电压源，通过实验的方法给出了作为比例臂时的相对稳定性等指标。 本文介绍的d d s 信号发生器是作为直角电桥的比例臂。两个信号之间的相位差可 以通过预设其中一个地址计数器来得到。在精密测量中，直角电桥的比例器比例需要 准确的1 ：l 比例，相位差也需要精确的9 0 度相角，因此需要对信号的角差和比差都 进行微调的装置。另外，本文中的d d s 系统的输出是由四路信号发生器组成的。考虑 到只有两路信号发生器的话，当其中一路相位变化的时候，这路信号的幅度也可能会 发生变化，影响实验结果，因此，本文介绍的系统中，有两路信号是固定的，另外两 路微调信号注入到固定信号中，通过加法器与固定信号相加得到可调的所需信号：这 样就避免了由于相位变化导致的幅度变化的问题。 7 青岛大学硕+ 学位论文 2 1d d s 基本原理 第二章d d s 的基本原理与结构 任意满足d i r i c h l e t 条件的周期信号都可以由一系列正弦信号余弦信号组合而成， 由此构成d d s 的理论基础。以正弦函数为例，图2 1 表示半径为l 的单位圆，半径绕 圆心逆时针旋转与横坐标轴的正方向形成汐角，半径在纵坐标轴上的投影为a 。投影的 长度就是正弦函数的幅度。相位圆上的每一点与输出的一个幅度值是对应的。当半径 以等步长的相位增量旋转时，投影的值就形成阶梯式的近似正弦函数。阶梯式正弦波 会随着步长的增加接近于实际的正弦函数。另外，步长越多，绕圆旋转一周的时间会 随着步长的增加越来越少，其近似正弦波的频率就越高。相反，步长越少，频率就越 低。 ( o ，1 ) 厂 ( o ) 图2 1 单位圆表示正弦函数a = r s i n o d d s 一般由相位累加器、r o m 表、d a 转换器及低通滤波器组成，但是由于滤波 器中有电容或电感导致输出信号相位发生变化，从而影响精密测量中电桥比例臂对相 位的要求，所以本设计没有加入低通滤波器部分，d d s 原理如图2 2 所示。 图2 2 d d s 原理框图 其基本原理就是将波形数据先存储起在r o m 表中，然后在频率控制字f c w 的作 用下，通过相位累加器从波形存储器中读出波形数据，最后经过d a 转换后输出频率 合成。图中n 表示相位累加器的位数，m 表示r o m 表的存储深度，由计算机的存储 容量限制，f c w 为频率控制字( o 2 。2 ) ，根据 8 第二章d d s 的基本原理与结构 厶= f w c f 。l k 2 2 一( 1 ) 可知，有两种方法可以提高d d s 的频率分辨率：( 1 ) ，使n 的值远大于m ；( 2 ) ，如 的分辨率要高。第一种方法容易引起相位截断误差，所以当n 的值等于m 时，我们使 用高分辨率的外部采样时钟。当用相位控制字p c w 改变相位时，为了得到比较高的振 幅稳定度，通常取f c w 的值为l ，d d s 为最小频率输出，对于不同的初始相位，都能 从r o m 表中采样出相同的数据。2 对正弦信号发生器来说，可以用2 ( 2 ) 式来描述它的输出：1 3 1 = a s i nc o t = a s i n ( 2 ；r t f o 叫f ) 2 - ( 2 ) 其中为信号发生器的输出信号波形厶为输出信号频率，时间f 连续，对此式先进 行离散化处理，再用数字逻辑实现该式。通过基准时钟c l k 进行抽样，使正弦信号的相 位： 口= 2 n f o j2 一( 3 ) 在一个基准时钟周期内，相位口的变化量为： a o = 2 n f o 珊t c l k = 筝 jc 傲 其中厶指基准时钟的频率。为了数字量化乡，将2 石均分成2 份， 期的相位增量都可以用量化值玩p 来表述为 b a o 尝 风疗为整数。与2 ( 4 ) 式联立，可得： 2 - ( 4 ) 所以每个时钟周 2 ( 5 ) 等2 石f m a 几= t vf 厶o , a 2 - ( 6 ) 可见信号发生器的输出为： = a s i n ( 吼- t + a 0 ) = a s i n 等( 气一- + 瓦) 】- 以；n ( 。+ 玩 2 ( 7 ) 其中，嚷一。指上一个时钟周期相位值，可得 虹2 n 2 2 - ( 8 ) 。可以看出，只要简单的对相位量化值进行累加，就能得出f 弦信号的当前相位值： 输出频率无由相位增量量化值玩一决定，并具有简单的线性关系。d d s 就是基于这些 原理设计的。 青岛大学硕士学位论文 = 2 厶厶 2 一( 9 ) 由图2 2 可以看出，相位累加器是整个d d s 的核心，当系统基准时钟厶是2 时， 玩口就等于厶。 对于直角上的应用，往往需要得到一对正交的正弦信号，在用模拟的压控振动器 v c o 时，输出一组完全正交的信号较为困难，而对于d d s 来说只需要在d d s 中增加 一块r o m 查找表，如图2 2 所示，通过相位调整在两块r o m 中分别放置一对正交信 号即可。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 - 匦匦) 七竺兰h 竺竺f “： 。r | 卜_! 承：j i 一 i 指零仪h l 虬i i i l 相位调t i l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 3 正交的两路信号 合成器的输出脉冲进入到地址计数器并将连续的地址送入到后面的r o m 查找表 中，r o m 查找表中存储的是数字形式存储的正弦信号。因此，每经过一个脉冲，一个 新的正余弦函数的值被送入数模转换器( d a ) 转换成相应的电压值并输出。通过这 种方式，数字正弦发生器产生了一个以模拟信号形式存储的近似阶梯状正弦波( 图 2 4 ) ，其频率由脉冲发生器的频率和地址计数器的字长决定。 2 2d d s 的结构 图2 4 阶梯状的正弦信号 前面已经提到，d d s 的基本结构包括相位累加器、正弦查询表r o m 、d a 转换器， 如图2 1 所示，其中相位累加器和r o m 表合称为数控振荡器( n c o ) ，下面将分别介绍 1 1 4 相位累加器 l o 第二章d d s 的基本原理与结构 相位累加器是d d s 最基本的组成部分，用于实现相位的累加并存储其累加结果。 如图2 1 所示，相位累加器由n 位频率累加器和m 位加法器组成，频率累加器对频率 控制字进行累加，将结果的高m 位与m 位相位控制字进行相加，其结果输出到r o m 查询表进行寻址。 本文中利用频率累加器的频率自增来达到相位累加器的作用，这在后面的模块设 计中有详细的说明。 控制子 图2 5 相位累加器框图 正弦查询表r o m d d s 的r o m 表中存储着二进制数字正弦幅值的数据，每一个数据对应着一个相位， 每过一个时钟，相位累加器输出序列的高l 位便对r o m 表进行寻址，输出与该相位对 应的二进制j 下弦幅值序列。为了提高输出信号精度，虽然可以把一块大存储量的r o m 集成在一块d d s 芯片，但是这样做不但会加大器件的功耗，使成本增加，最主要的是 会使器件的可靠性降低。三角近似法、基于泰勒级数的线性插值法、s i n 0 p 法等方法 可以对r o m 进行压缩存储 l s l y 从而解决r o m 容量的问题。 屯 d a 转换器 d a 转换器的作用是将数字信号转变成模拟信号。但是由于d a 转换器分辨率有 限，导致输出信号的变化不是连续，输出信号是一个阶梯状的正弦信号。而且随着d d s 电路工作频率的上升，d a 对d d s 越来越大的影响d d s 的输出频谱，在高频d d s 路 中，d a 的非理想动态相应特性已经成为d d s 的输出杂散的主要来源。因此，d a 才 是目前影响d d s 频谱质量的决定性因素。 青岛人学硕士学位论文 3 1f p g a 概述 第三章系统软件设计 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，现场可编程逻辑门阵列，是继p a l 、g a l 、 c p l d 1 6 1 等可编程器件进一步发展而成的电子器件。它作为专用集成电路( a s i c ) 7 中的一种半定制电路而出现，对定制电路不足和原有的可编程器件门电路数有限等问 题提供了很好的解决方案。f p g a 是数字系统设计的主要硬件平台，可以让用户通过软 件来对其进行配置和编程，而且可以反复编程，在程序修改或升级后，并不需要对已 经画好的p c b 板进行修改，只要修改程序即可。 ( 一) 可编程逻辑器件 数字电子系统领域有微处理器、存储器和逻辑器件三种基本器件类型。存储器存 储随机信息。微处理器通过执行软件指令来完成任务。逻辑器件提供包括数据通信、 器件之间的接口、信号处理等特定功能。逻辑器件又分为固定逻辑和可编程逻辑，它 们的区别在于固定逻辑在应用发生变化时，需要从头开始设计；而可编程逻辑器件优 点就在于当应用发生变化和器件工作不合适时不用从头设计，直接从新编写逻辑器件 后就可以了，节省了前期的开发费用和周期。 ( 二) f p g a 的特点 1 、高性能、实时性，f p g a 芯片的内部由数以千万个逻辑单元而完成硬件实现， 并且具有良好的并行处理能力，币平常的单片机和d s p 的运算速度快很多，这说明高 性能是实时性的 2 、高集成性，用户可以根据自己的需求在f p g a 内部嵌入硬或软i p 核来达到目的， 而且采用s o p c 片上系统可以有效减少硬件面积。 3 、高可靠性和低成本，目前的f p g a 芯片在出厂之前都做过1 0 0 的检测，不需要 设计人员承担投片生产的费用 4 、高灵活性和低功耗，如前面的介绍所述，f p g a 可以在外围电路保持不变的情 况下，通过软件进行升级和维护，并且可以反复擦鞋，这给设计的灵活性提供了很大 的保障，并且降低功耗。 ( 三) f p g a 的体系结构 f p g a 采用逻辑单元阵歹t j l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 的概念，内部包括可配置逻辑模块 c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) ，输z 输出模块i o b ( 1 n p u v o u t p u tb l o c k ) ，内部连线 第三章系统软件设计 ( i n t e r c o n n e c t ) 和存放编程数据的静念存储器s r a m 组成。 l 、可编程逻辑模块c l b c l b 是实现逻辑功能的基本单元，通常以阵列的形式在整个芯片上散布。c l b 一 般由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等构成。 2 、输入输出模块( 1 0 b ) i o b 连接器件引脚和内部逻辑阵列，主要由输入缓冲器、输入发生器，和输出触发 锁存器，输出缓冲器组成。 3 、可编程互联资源瓜 c l b 与c l b 或者i o b 之间可以通过i r 连接，其主要由金属连线段构成，这些线段可 能带有可编程开关，自动布线后能实现各种电路之间的连接。 ( 四) f p g a 的设计流程 f p g a 是可编程芯片，因此f p g a 的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分。硬 件包括f p g a 芯片电路、输入输出接口电路、存储器以及其他设备，软件即是相应的 v e r i l o gh d l 等程序。f p g a 采用自顶而下的设计方法，开始从系统级设计，然后逐步分 化到二级单元，三级单元知道可以直接操作基本逻辑单元或i p 核为止，一般情况下设 计流程有如下步骤： l 、功能定义器件选型 在f p g a 的设计开始之前，系统功能的定义和模块的划分是必须的，另外还要对如 系统的作用和复杂程度，对工作速率和器件本身的所占用的资源、成本等方面进行权 衡，选择合适的设计方案和合适的器件类型。 2 、设计输入 设计输入有原理图输入和硬件描述语言输入，原理图输入维护起来不方便，不利 于模块构造和重用。可移植性差是原理图输入的最大缺点，当芯片升级后，所有的原 理图都需要随之改动。硬件语言包括v h d l 和v c r i l o gh d l 以及s y s t e mc 等，硬件描述 语言输入共同特点特点是：语言与芯片工艺无关，利于自顶向下的设计方式，有利于 模块的划分与移植，有着较好的移植性，逻辑描述和仿真功能也很强，输入效率很高。 3 、功能仿真 功能仿真是在编译之i i i 对用户所设计的电路进行的逻辑功能验证，仅是对功能的 初步检测。 13 青岛大学硕士学位论文 4 、综合优化 综合优化用来优化所生成的逻辑连接，便于f p g a 的相关软件进行布局布线。 5 、综合后仿真+ 综合后仿真检查综合结果和原设计是否保持一致，可用来估计门延时带来的影响。 6 、实现与布局布线 布局布线可理解为通过实现工具，使逻辑和目标器件结构的资源进行映射，来决 定逻辑的最佳布局，实现是在具体的f p g a 芯片上配置综合生成的逻辑网表。 7 、时序仿真 时序仿真，是指在设计网表中标注布局布线所产生的延时信息来检查有无时序违 规现象。 8 、板级仿真与验证 板级仿真主要在高速电路设计中使用，对高速电路的信号完整性、电磁干扰等特 征进行分析。 9 、芯片编程与调试 设计的最后一步就是芯片编程与调试。芯片编程是编辑芯片可以使用的数据文件， 然后将编程数据下载至a j f p g a 芯片中。 3 2v e d l o gh d l 语言概述1 8 1 在数字逻辑设计领域，一种工业标准来统一对数字逻辑电路及系统的描述是迫切 需要的，这样就能把系统设计工作分解为逻辑设计和电路实现两个互相独立而又相关 的部分。逻辑设计相对独立，因此会有很多封装好的宏单元或者软核库供设计者们使 用，电路的实现则可借助于布局布线工具和综合工具和来自动完成。 v h d l 和v e r i l o gh d l 这两种工业标准的产生顺应了历史的潮流，因而得到了迅速 的发展。 3 2 1 硬件描述语言 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种用形式化方法来设计数 字逻辑系统和描述数字电路的语言。设计者们可以通过它来描述设计理念，并利用e d a 工具仿真，自动在门级电路进行综合，最后通过a s i c 或f p g a 实现其功能。 v g r i l o gh d l 和v h d l 的比较 1 4 第三章系统软件设计 v e r i l o gh d l 和v h d l 两种硬件描述语言都是用于逻辑设计，并且都已经成为i e e e 标准。 v e r i l o gh d l 和v h d l 作为描述硬件电路设计的语言，其共同的特点在于：表示 电路结构和行为抽象并且形式化、逻辑设计中的层次与领域的描述也可以支持、通过 利用高级语言的结构来简化电路的描述、都具备电路仿真机制与验证机制，从而可以 保证设计的正确性、硬件描述与逻辑电路的实现工艺无关、文档管理比较方便、易于 理解和设计的重复使用。 但是v e r i l o gh d l 和v h d l 又各有其自己的特点。v e r i l o gh d l 拥有较多的用户群 体，v e r i l o gh d l 的成熟资源也比v h d l 多很多。相比于v h d l ，v e r i l o gh d l 的最大 优点为：只要有c 语言的编程基础，加上短时间的实际操作，就能很快的掌握这种技 术。相对的，v h d l 就不是很容易掌握，第一是v h d l 并不是很直观，需要有a d a 编 程基础，掌握这门技术一般需要半年以上的专业培训。目前版本的v e r i l o gh d l 和 v h d l 也有着不同的行为级抽象建模和覆盖范围。v e r i l o gh d l 在系统级抽象方面比 v h d l 稍逊，但是在门级开关电路描述方面比v h d l 强很多。 3 2 2 采用v e r i l o gh d l 设计复杂数字电路的优点 ( 1 ) 传统设计方法电路原理图输入法 近年来，f p g a 和a s i c 的设计不断提高其规模和复杂程度，但是却要求越来越短 的电路及系统的设计时间。这就是需要高水平的设计工具来实现，比如：v e r i l o gh d l 或v h d l 。 ( 2 ) v e r i l o gh d l 设计法与传统的电路原理图输入法的比较 电路原理图输入法进行设计周期长，工具需要使用专门的工具，布线也需要手工。 而采用v e r i l o gh d l 输入法时，可以很方便的在各个厂家的不同芯片中进行移植，并且 可以很方便的进行修改。v e r i l o gh d l 综合器产生一种标准的电子设计互换格式的数字 逻辑文件，这个文件可以独立于所用工艺。v e r i l o gh d l 提供的属性可以对工艺参数进 行描述，然后利用各个厂家的不同布局布线工具，在各种工艺的芯片上实现。工艺无 关性是v e r i l o gh d l 输入法最大的优点。 3 2 3 采用硬件描述语言的设计流程简介 自顶向下( t o p d o w n ) 设计的基本概念 飞速发展的现代集成电路制造工艺技术使得在一个芯片上可以集成数百万个器 件，如此大规模的电路又一个设计师完成，并且不出现错误是很难做到的。通过有层 l5 青岛人学硕+ 学位论文 次、有结构的设计方法，将一个完整的硬件设计分为若干个模块，这就允许一个硬件 系统中的不同模块由不同的设计者来完成，每个部分由相应的设计者承担；而由上一 层设计师对其下层设计者完成的设计用行为级上层模块对其所做的设计进行验证。 自顶向下的设计是从系统级开始，一层一层向下划分为基本单元，直到直接可以用e d a 元件库中的元件来实现为止。因为是在高层次上完成设计的主要仿真和调试，所以有 利于较早的发现结构上的错误，减少设计工作的浪费，同时也减少了逻辑功能仿真的 工作量，提高了设计的一次成功率。9 1 2 0 1 自顶向下设计框图如图3 1 所示。2 图3 1t o p - d o w n 设计框图 3 3q u a r t u sii 概述【2 2 】 本设计采用的开发工具是q u a r t u si i ，此开发集成环境由a l t e r a 公司提供，a l t e r a 作为可编程逻辑器件供应商，是全球最大的几个供应商之一。q u a r t u si i 是m a x + p l u si i 的新一代产品 2 3 3 。 q u a r t u si i 为设计者提供了全面的非单一平台的设计环境，各种特定设计都能满足。 q u a r t u si i 完全支持v e r i l o gh d l 等语言的设计流程，并有v e r i l o g 等语言的逻辑综合器 嵌在其内部。q u a r t u si i 还可以仿真，对第三方的仿真工具也很支持。此外，与m a t l a b 等软件结合，q u a r t u si i 还可以对基于f p g a 的d s p 系统进行开发，因此，q u a r t u sl i 对实现d s p 硬件系统非常关键。 q u a r t u si i 包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有适配器、分析综合器、 装配器、设计辅助模块、时序分析器、e d a 网表文件生成器和编辑数据接口等。q u a r t u s i i 的设计流程主要包括设计输入、综合或编译、布局布线、时序分析、仿真、编程和 配置。另外，每个阶段q u a r t u si i 都提供图形用户界面、命令行界面以及e d a 工具界 面。这些界面在整个设计流程中可以只使用一个，也可以在不同阶段使用不同的界面。 1 6 第三章系统软件设计 q u a r t u si i 对来自第三方的e d i f 文件输入也是支持的，e d a 软件的接1 2 1 也提供了很多。 q u a r t u s1 1 支持层次化设计，对于使用不同输入设计方式完成的模块，可以在一个新的 编辑输入环境中进行调用，为原理图与h d l 混合输入设计提供了很好的解决方案。在 设计输入之后，q u a r t u si i 的编译器还能对设计输入的错误进行报告。对于文本或图形 设计中的错误，q u a r t u si i 的错误定位器都能指出。在进行编译后，可对设计进行时序 仿真。在作仿真前，需要编辑一个波形激励文件，用来仿真验证时的激励。编译和仿 真经检测无误后，便可以将下载信息通过q u a r t u si i 提供的编程器下载入目标器件中 了。 3 4 系统各模块的设计 本设计中，相位累加器的位数为2 6 位，r o m 表的地址线宽为1 3 位，因为如果把 相位累加器的所有位数都用于r o m 表的查询，r o m 表的容量会非常大，在实际工作 很难实现，所以使用相位累加器的高1 3 位对r o m 表进行寻址，这种方法虽然会引入 相位截断误差，但是能节省系统资源。另外，本文还设计了相位控制模块，可满足直 d d s 数据处理i 模块 犀聂面司4 模块 l 一揍，一l 宦匦甚r o m 驾 f 相位累加器模i畲找表模! 块 块 角电桥中直角阻抗对信号源不同相位的要求。模块划分如图3 2 所示。 图3 2 系统模块划分框图 3相位累加器模块41 相位累加器模块分为两个部分。第一部分为频率累加器部分如图3 3 所示， 其代码如下： f c o n t t o t ：陀i f 5 ：口 味 f ：e v o i 2 ，铆 f q 弱o l f c o 瞄5 o l r , s t 2 7 ： ”“r 。 图3 3 频率累加器部分 1 7 青岛人学硕士学位论文 m o d u l ef c o n t r o l ( e l k ，f c ，f c o ，f c o1 ) ； i n p u te l k ； i n p u t 2 5 ：0 f c ； o u t p u t 12 ：0 f c o ； o u t p u t 2 5 ：0 f c o1 ； w i r e 【1 2 ：0 f c o ； r e g 【2 5 ：0 f c 0 1 ； a s s i g nf c o = f c 0 1 2 5 ：1 3 ； a l w a y s ( p o s e d g e