基于FPGA的正弦信号发生器

-I-基于FPGA的正弦信号发生器设计摘要：本设计结合了EDA技术和直接数字频率合成（DDS）技术。EDA技术是现代电子设计技术的核心，是以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化的设计技术。DDS技术则是最为先进的频率合成技术，具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位连续、输出相位噪声低等诸多优点。本文在对现有DDS技术的大量文献调研的基础上，提出了符合FPGA结构的正弦信号发生器设计方案并利用MAXPLUSⅡ软件进行了设计实现。文中介绍了EDA技术相关知识，同时阐述了DDS技术的工作原理、电路结构，及设计的思路和实现方法。经过仿真测试，设计达到了技术要求。关键词：现场可编程门阵列（FPGA）；直接数字频率合成（DDS）；正弦波信号发生器-II-ThedesignofsinesignalgeneratingdevicebasedonFPGAAbstract：ThedesignthatcombinesEDAtechnologyandDirectDigitalSynthesis(DDS)technology.EDAtechnologyisthedesignofmodernelectronictechnologyatthecore,electronicsystemdesigndirectionfortheapplicationofelectronicdesignautomationproductstechnology.DDStechnologyisthemostadvancedfrequencysynthesizertechnologywiththehigh-frequencyresolutionandfrequencyswitchingspeed,continuousphase,lowphasenoiseoutputmanyadvantages.BasedonthetechnologyofexistingDDSstudyoftheextensiveliteratureonthebasisofFPGAwiththestructureofthesinusoidalsignalgeneratordesignandtheuseofFPGAIIsoftwarelocatedTotalrealized.ThepaperintroducedtheEDAtechnology-relatedknowledge,andelaboratedontheDDStechnologyprinciple,circuitstructure,anddesignideasandmethods.Aftersimulationtestsdesignedtoachievethetechnicalrequirements.Keywords：FPGA；DDS；sinesignalgeneratingdevice--1--第1章绪论1.1引言直接数字频率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis)是一种比较新颖的频率合成方法。这个理论早在20世纪70年代就被提出，它的基本原理就是利用采样定理，通过查表法产生波形。由于硬件技术的限制，DDS技术当时没能得到广泛应用。但是随着大规模集成电路的飞速发展，DDS技术的优越性已逐步显现出来。今天DDS技术凭借其优越的性能已成为现代频率合成技术中的佼佼者，广泛用于接收机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线电通信系统。不少学者认为，DDS是产生信号和频率的一种理想方法，发展前景十分广阔。基于FPGA的DDS模型是在EDA技术逐步完善的今天才得以建立起来的。EDA技术依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、简化、分割、综合、优化和仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路ASIC芯片中，实现即定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。EDA技术是现代电子设计技术的核心。20世纪90年代以来，微电子工艺有了惊人的发展。为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是由用户自己设计芯片。这个阶段发展起来的EDA工具，目的是在设计前期将原来设计师从事的许多高层次设计工作改由工具来完成。设计师通过一些简单标准化的设计过程，利用微电子厂家提供的设计库来完成数万门ASIC和集成系统的设计与验证。这样就对电子技术的工具提出了更高的要求，提供了广阔的发展空间，促进了EDA技术的形成。今天，EDA技术已经成为电子设计的重要工具，无论是设计芯片还是设计系统，如果没有EDA工具的支持，都将是难以完成的。EDA工具已经成为现代电路设计工程师的重要工具，正在发挥越来越重要的作用。1.2方案比较与确定设计要求：利用EDA技术，建立正弦信号DDS产生模型，编写源程序，达到频率输出范围1KHz-10MHz、频率步进100Hz、频率稳定度优于104、带50Ω负载输出电压峰峰值大于1V等要求，完成硬件实现与测试。--2--【方案一】采用分立元件模拟直接合成法。这种方法转换速度快，频率分辨率高，但其转换量程靠手动来实现，不仅体积大难以集成，而且可靠性和准确度很难进一步提高。【方案二】采用MAX038芯片来产生正弦波信号。该集成块的输出波形种类多，频率覆盖范围广。它采用的是RC充放电振荡结构。第一，由于模拟器件元件分散性太大，外接的电阻、电容对参数的影响很大，因而产生的频率稳定度差，只能达到431010。第二，它的频率控制是通过充放电流的大小来实现。因而要达到步进100HZ，所需的电流变化量非常小，精度要求很高。所以采用MAX038芯片难以实现设计要求。【方案三】采用锁相环合成方法。采用该方案设计输出信号的频率可达到超高频甚至微波段，且输出信号频谱纯度较高。由于锁相环技术是一个不间断的负反馈控制过程，所以该系统输出的正弦信号频率可以维持在一个稳定状态，频率稳定度高。但由于它是采取闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也比较长。所以锁相环频率合成器要想同时得到较高的频率分辨率和转换率非常困难，频率转换一般要几毫秒的时间[1]，同时频率间隔也不可能做得很小。【方案四】采用直接数字合成器（DDS），可用硬件或软件实现。即用累加器按频率要求对相应的相位增量进行累加，再以累加相位值作为地址码，取存放于ROM中的波形数据，经D/A转换，滤波即得到所需波形。以EDA技术为基础，用FPGA实现DDS模型的设计。电路的规模大小和总线宽度可以由设计者根据自己的需要而设定可将波形数据存入FPGA的ROM中。同时外部控制逻辑单元也可在FPGA中实现。方法简单，易于程控，便于集成。用该方法设计产生的信号频率范围广，频率稳定度高，精度高，频率转换速度快。分析以上四种方案，显然第四种方案具有更大的优越性、灵活性。所以采用方案四进行设计。1.3频率合成技术概述所谓频率合成技术指的是由一个或者多个具有高稳定度和高精确度的频率参考源，通过在频率域中的线性运算得到具有同样稳定度和精确度的大量的离散频率的技术。完成这一功能的装置被称为频率合成器。频率合成器应用范围非常广泛，特别是在通信系统、雷达系统中，频率合成器起了极其重要的作用。随着电子技术的不断发展。频率合成器的应用范围也越来越广泛，对其性能要求也越来越高。频率合成器的主要指标有以下这些：(1)输出频率的范围--3--指的是输出的最小频率和最大频率之间的变化范围。(2)频率稳定度指的是输出频率在一定时间隔内和标准频率偏差的数值，它分长期、短期和瞬间稳定度三种。(3)频率分辨率指的是输出频率的最小间隔。(4)频率转换时间指的是输出由一种频率转换成另一种频率的时间。(5)频谱纯度频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量，杂散分为谐波分量和非谐波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性失真产生；相位噪声是衡量输出信号相位抖动大小的参数。(6)调制性能指的是频率合成器是否具有调幅(AM)，调频(FM)、调相(PM)等功能。频率合成器的实现方法大体可以分成三种：直接频率合成、间接频率合成、直接数字频率合成。下面对这三种方法进行一下简单的介绍。直接频率合成是一种比较早期的频率合成方法，这种频率合成方法使用一个和多个标准频率源先经过谐波发生器产生各次谐波，然后经过分频、倍频、混频滤波等处理产生所需要的各个频点。这种方法产生的波形，相噪小，频率转换时间短。但是直接频率合成设备比较复杂笨重，并且容易产生杂散。间接频率合成又称之为锁相频率合成。采用了锁相环技术，对频率进行加、减、乘、除，产生所需的频率。由于锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，所以锁相频率合成的方法对杂散有很好的抑止作用。锁相式频率合成器还易于集成化。但是锁相式频率合成器的频率转换时间比较长，而且在单环的情况下很难做到很小的频率分辨率。直接数字频率合成(DDS-DigitalDirectFrequencySynthesis)是一种比较新颖的频率合成方法。随着科学技术的日益发展这种频率合成方法也越来越体现出它的优越性来。DDS是一种全数字化的频率合成方法。DDS频率合成器主要由频率寄存器、相位累加器、波形ROM,D/A转换器和低通滤波器组成。在系统时钟一定的情况下，输出频率决定于频率寄存器的中的频率字。而相位累加器的字长决定了分辨率。基于这样的结构DDS频率合成器具有以下优点：(1)频率分辨率高，输出频点多，可达N2个频点（假设DDS相位累加器的字长是N）；(2)频率切换速度快，可达us量级；(3)频率切换时相位连续；(4)可以输出宽带正交信号；(5)输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改--4--善作用；(6)可以产生任意波形；(7)全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。1.4直接数字频率合成技术的现状与应用由于DDS的自身特点决定了它存在这以下两个比较明显的缺点：一是输出信号的杂散比较大，二是输出信号的带宽受到限制。DDS输出杂散比较大这是由于信号合成过程中的相位截断误差、D/A转换器的截断误差和D/A转换器的非线性造成的。当然随着技术的发展这些问题正在逐步的到解决。如通过增长波形ROM的长度减小相位截断误差。通过增加波形ROM的字长和D/A转换器的精度减小D/A量化误差。在比较新的DDS芯片中普遍都采用了12bit的D/A转换器。当然一味靠增加波形ROM的深度和字长的方法来减小杂散对性能的提高总是有限的。国内外学者在对DDS输出的频谱做了大量的分析以后，总结出了误差的频域分布规律建立了误差模型，在分析DDS频谱特性的基础上又提出了一些降低杂散功率的方法:可以通过采样的方法降低带内误差功率，可以用随机抖动法提高无杂散动态范围(在D/A转换器的低位上加扰打破DDS输出的周期性，从而把周期性的杂散分量打散使之均匀化)。此外随着集成电路制造工艺的逐步提高，通过采用先进的工艺和低功耗的设计，数字集成电路的工作速度己经有了很大的提高。现在最新的DDS芯片工作频率己经可以达到1GHz。这样就可以产生频带比较宽的输出信号了。为了进一步提高DDS的输出频率，产生了很多DDS与其他技术结合的频率合成方法。如当输出信号是高频窄带信号的时候可以用混频滤波的方法扩展DDS的输出，也可以利用DDS的频谱特性来产生高频信号，如输出它较高的镜像频率。DDS和PLL相结合的方法也是一种有效的方法[2]。这种方法兼顾了两者的优点，既有较高的频率分辨率，又有较高的频谱纯度。DDS和PLL相结合一般有两种实现方法：DDS激励PLL的锁相倍频方式和PLL内插DDS方式。DDS不仅可以产生正弦波同时也可以产生任意波，这是其他频率合成方式所没有的。任意波在各个领域特别是在测量测试领域有着广泛的应用。通过DDS这种方法产生任意波是一种简单、低成本的方法，通过增加波形点数可以使输出达到很高的精度，这都是其他方法所无法比拟的。自80年代以来各国都在