一种多波信号发生器的设计

一种多波信号发生器的设计

1第三代频率合成技术1973年，美国科学家j.tinyy、m.rado和b.黄金时代首次提出了直接数字合成技术（dds）。DDS是从相位概念出发、直接合成所需波形的一种新的全数字频率合成技术,也是继直接模拟频率合成技术(DAFS)和基于锁相环(PLL)的间接频率合成技术之后的第三代频率合成技术。与传统频率合成技术相比,DDS具有频率分辨率高、变频速度快、相位变化连续、相位噪声低、漂移低、易于调整和集成等优点,因此被广泛应用于通信、雷达、导航、仪器仪表等领域。随着现场可编程门阵列(FPGA)的普及与发展,以及DDS技术的日趋成熟,利用DDS技术在FPGA平台上设计信号源,相比专用DDS芯片,如AD公司的AD985X系列,具有成本低、操作灵活、可在线更新配置等优点。本文基于DDS技术,采用分频方法和ROM查表法,设计实现了一种可输出任意起始相位和一定频率范围的正弦波、方波、锯齿波、三角波的信号发生器。2德国工作原理和设计2.1相位采样采样系统的设计DDS实现原理是,依据奈奎斯特(Nyquist)采样定理,对已知信号进行取样、量化、编码,将其转换为数字信号并存储于ROM中,然后通过频率控制字和相位控制字,改变相位累加器的累加溢出周期,进而获得所需频率和相位的波形。图1所示为传统DDS结构,其实质是以标准频率源为基准,对相位进行等间隔的采样,即将数据地址的偏移量映射为相应信号间的相位值。该方案由频率控制字、相位控制字、相位累加器、波形查找表ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。电路工作原理是,频率和相位控制字由按键输入,在时钟信号fc的作用下,相位累加器将频率寄存器中的数值与相位寄存器中的累加相位数据相加,并把结果存入相位寄存器。相位寄存器一方面将累加结果反馈到累加器输入端,继续与频率寄存器中的数值累加;另一方面,将累加结果输出作为波形查找表ROM的地址,查找出相应波形的抽样值,完成相位到幅值的转换。然后,将波形寄存器ROM中的抽样值输入到D/A转换器,由D/A转换器将离散的数字抽样值转换成连续的模拟波形,再经LPF滤除高频成分和噪声,就可以得到频谱纯净的所需频率的DDS信号。同时,也可将相位控制字与相位寄存器输出的值相加,得到移相信号的地址码,经波形查找表ROM,D/A转换器、低通滤波器,得到所需相位的DDS信号。相位累加器的溢出频率就是DDS输出信号的频率。2.2新型dds结构原理依据传统方案设计的DDS输出信号频率为:其中,K为频率控制字,N为相位累加器的位数,fc为标准时钟频率。可以看出,频率控制字K控制累加器的输出最大速度,并且随着K逐渐增大,每一周期输出ROM中的抽样值点数逐渐减少,导致输出波形变差、幅度量化噪声增加。同时,输出信号的频率分辨率也取决于K值的大小,当K等于1时,最小频率分辨率为fc/2N。由上述分析可见,传统的DDS设计方案中,波形查找表ROM的抽样值点数决定输出信号的质量,因此,要保证输出信号的质量,就必须增大ROM中的抽样值点数,即增大ROM的容量,一方面将导致波形寄存器ROM的成本提高、功耗增大、可靠性下降,另一方面将导致相位累加器的位数大幅增加,进一步增大了对硬件资源的消耗。新型DDS结构原理如图2所示,其本质是通过改变两个相邻抽样值的时间间隔来得到所需频率的DDS信号,即将时间的偏移量映射为相应信号间的相位值。该方案用一个N位分频器和M进制计数器取代传统方案中的相位累加器。标准时钟频率为fc,在分频控制字的作用下,经N位分频器后,得到频率为f的时钟信号,而f时钟信号驱动M进制计数器进行累加,并输出相应计数值给ROM,ROM依据此值查找出相应波形的抽样值,完成相位到幅值的转换。之后,再经D/A转换器、低通滤波器,得到所需频率的DDS信号。同时,将M进制计数器的输出值和相位控制字相加,再送给ROM,可得到所需相位的DDS信号。由以上分析,可以得到新型方案设计的DDS输出信号频率:其中,f为N位分频器的输出频率,M为M进制计数器的位数。可见,在M进制计数器的位数一定时,输出DDS信号的频率取决于f,而f的大小变化不会影响ROM输出的抽样值点数,从而确保了输出信号的质量。相比传统方案,该方案确保了ROM输出的抽样值点数不受输出频率大小变化的影响,这意味着采用相对较少位数的ROM,即存储容量较小的ROM,就可以实现较高质量信号的输出,节省了大量的硬件资源。3sds模块的设计和验证3.1clkup仿真图3所示为用QuartusII软件仿真得到的N位分频器模块(N=24),仿真验证结果如图4所示。仿真时,输入时钟clk_in取100MHz,分频控制字Key取10MHz,复位clr取高电平,仿真时间为1ms。由图4仿真波形可得到clk_out的前8个周期t,结果列于表1。由图4和表1可知,分频器实现了对输入时钟的分频,获得了预期效果。3.2改进将式构造mif压缩了lpm将输出正弦波由DDS原理可知,将正弦波等波形的量化数据存储于ROM中,M进制计数器逐步累加并输出地址给ROM,ROM再按照该地址取出相应的量化值送入D/A转换器,即可实现正弦波的输出。在Altera公司的QuartusII9.0中,提供了LPM_ROM,可以采用Matlab或C语言编程生成幅值连续的正弦波.mif文件,再用QuartusII9.0中的MegaWizardPlug-InManager,在图5所示模块配置中将ROM配置为8比特,256字节,即每种波形取256点8位数据,从而得到波形查找表ROM宏模块。由于输出的正弦波信号质量取决于ROM表中的抽样值点数,所以ROM表里存储的抽样值点数越多越好,但ROM表太大,就会占据芯片的大量资源。对此,任建新等人提出利用正弦函数对称性、正弦函数幅值特性、线性插值法、二次插值法压缩改进ROM表。本文利用正弦函数对称性,取四分之一周期的正弦波量化值存储到ROM中,即在一个周期只存储0～π/2的幅度值。4dds输出正弦波的信号仿真图6所示为系统仿真输出波形,正弦波等波形为256点8位数据,clk_in取10ns,即100MHz,Key为分频器按键,clr为复位键,qout为输出量化的数字正弦波值。由图6(a)可以看出,随着Key按键的调控(一个上升沿到来),输出的量化数字信号所占空白大小明显变宽,意味着输出频率大小发生改变,由此证实分频器实现了对输出频率的调控,同时,实现了正弦波、方波、锯齿波、三角波的输出,从而证明基于分频方法的DDS设计方案是可行的。图7(a)所示是取样点为64个时经ROM查表输出的正弦波,图7(b)所示是取样点为256个时经ROM查表输出的正弦波。可以看出,随着一个周期内取样点数的增加,正弦波越来越光滑,由此也证实了输出正弦波信号精度取决于ROM中采样点数的结论。在时序仿真时,DDS各输出端口间无可避免地存在几ns的时间差,具体表现为很多毛刺。实际中,如果接入D/A转换器,将数字信号转换为模拟信号,这些毛刺就不会存在。5样值片