第l9卷 第9期 电子设计工程 2011年5月 V01.19 No.9 Electronic Design Engineering May.2011 基寸FPGA的幅值可调信号发生器设计 张有志 .张鸡 (1.山东凯文科技职业学院山东济南250200;2.北京邮电大学信息与通信工程学院,北京100876) 摘要:针对信号发生器对输出频率精度高和幅值可调的要求,采用直接数字频率合成(DDS)技术,提出一种基于FP. GA的幅值、频率均可调的、高分辨率、高稳定度的信号发生器设计方案。采用AT89S52单片机为控制器,控制FPGA 产生波形的数字信号,结合双数模(D,A)转换器及低通滤波器,最终实现输出信号幅值0~5 V可调,分辨率为10 bits; 频率范围l Hz~10 MHz可调。最小分辨率为1 Hz;频率稳定度优于10 。信号参数可通过键盘进行设置,并在LCD上 输出。由于FPGA的可编程性,易于对系统进行升级和优化。 关键词:FPGA;信号发生器;DDS;单片机;VHDL 中图分类号:TN741 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2011)09—0l15一o3 Design of amplitude adjustable signal generator based on FPGA ZHANG You-zhi ,ZHANG Kun (1.Shandong Kmwen c0№ ofScience&Technology,Ji’,啪250200,China;2.School foInformation and Communicatoin Engineering,Beijing UniversityofPosts Telecommunicatoins,Beijing 100876,Chian) Abstract:For the requirements of high frequency accuracy and amplitude adjustability of a signal generator,the direct digital synthesis(DDS)technology is applied in the design of the FPGA—based signal generator.The amplitude and rfequency of the output of the signal generator are adjustable.and high resolution and high stability are obtained.MCU AT89S52 is used to control the whole system,and the signal generated by FPGA is output through a double・DAC and a low-pass filter.The amplitude range is 0 ̄5 V with the resolution of 10一bit,the frequency range is 1 Hz ̄lO MHz with the minimum resolution of 1 Hz,and the ferquency stability is better than 10 .The parameters of amplitude and frequency can be entered through keyboard and displayed on LCD.Due to the programmability of FPGA,the system is easy to upgrade and optimize.full adder function Can be well implemented by using simulation design of Muhisim software. Key words:FPGA;signal generator;DDS;MCU;VHDL 直接数字频率合成(DDS)技术具有相对频带宽、频率转 转换、低通滤波后输出。其波形类型及频率大小通过单片机 换时间短、频率分辨率高、输出信号相位连续、能够实现全数 直接控制,输出信号幅度的控制由单片机通过幅度控制模块 字自动化控制等优点,已经逐步成为高性能信号发生器的核 改变数模转换模块的参考电压来间接实现。 心技术【I1。现场可编程门阵列(FPGA)器件具有工作速度快、 集成度高、可靠性好和现场可编程等优点,在现代电子设备 茸 中的应用越来越广[21。 丽 一机 本文采用DDS技术和FPGA芯片设计了一种频率可 L堕 函 调的信号发生器,可输出正弦波、方波、三角波和锯齿波等 图1系统结构框图 数字信号,其频率范围广,稳定性好,精度高,系统灵活,易 Fig.1 Block diagram of overall system 于升级。 2功能模块设计 1系统总体设计 2.1 FPGA模块 系统框图如图1所示,它由单片机控制模块、FPGA波形 该模块根据MCU提供的频率控制字K及波形选择字, 产生模块、幅度控制模块、数模转换(DAC)模块、低通滤波模 利用DDS技术产生波形数字信号。通过数模转换器DAC变 块、键盘输入和液晶显示模块组成。FPGA模块采用DDS技 成阶梯波,再经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号 术,可产生正弦波、方波、三角波或锯齿波的数字信号。经D/A 波形。此模块主要由相位累加器、相位寄存器和波形查找表 收稿日期:2011—O2一lO 稿件编号:2011O2005 构成,其原理框图如图2所示。其中 为输入基准时钟频率, 作者简介:张有志(195O一),男,山东淄博人,教授。研究方向:多媒体通信与信息处理。 一115- 《电子设计工程)2011年第9期 一1 Hz(1 Hz ̄l MH )及 2×3 2×3 一1o H (1 ̄10 MHz) 可见,即使在输出最高频率时,也能保证每周期波形有16个 点,从而有效保证了输出信号波形的逼真度。 将波形数据存储在波形ROM中的方案有2种:一种是 圈 二 在一个完整周期内进行采样,然后将采样值依次存于ROM 单元中,这个方案的优点是思路清晰,实现简单;另一种方案 是根据周期信号波形的对称性.只对其在l/2或1/4周期上 采样并存储,因此可以节省存储空间,但实现上要复杂些。为 简化设计,本文采用了第一种方案。 2.2幅度控制模块 输出信号的幅度控制是通过2片DAC芯片实现的, 其电路图如图3所示。其中,第1片DAC用来将FPGA输 出的波形的数字信号转换为模拟阶梯信号,幅值的调节是 通过第2片DAC的输出改变第l片DAC的参考电压来 实现。 DAC是本模块的核心器件.其转换速度等特性直接影响 整个系统的性能。DAC器件的选择应从分辨率、转换速度、量 化误差和线性度等几个方面考虑。因为本系统的工作频率较 高,所以首先应选用高速DAC。其次是考虑分辨率和量化误 差问题,增大DAC的位数可减小量化误差,提高分辨率。因 此,本文采用的DAC器件是德州仪器公司生产的高速低功 耗、1O位分辨率的DAC芯片TH¥5651。 DAC的参考电压可通过EX rL0端来选择内部或外部。当 该端121为低电平时(即:EXTI_D=AGND),选择内部参考电压;当 该端口为高电平时(即:EXrI'Io=AVDD),选择外部参考电压。只 要改变参考电压的大小,就可以改变输出波形的幅值。THS565l 外部参考电压范围为0 V,因此.采用10位DAC(最小分辨率 为4.88x10。V)。图中第2片THS5651的输出接到第1片 THS5651的参考电压输入端EX110。通过单片机控制第2片 THS5651输出,进而控制第1片 mS5651的参考电压。 2.3低通滤波模块 经过D,A转换后输出的阶梯波信号通常含有较多的时 钟成分及较为陡峭的跃变边缘,为了减少输出波形的抖动、 抑制高次谐波、取出主频 ,必须在D/A转换器的输出端接入 截止频率为 ,2的低通滤波器[51。 2.4键盘与显示模块 本系统需要设置并显示输出波形的类型、频率和幅值等 参数。为使系统拥有一个友好、便捷、美观的用户界面,设计 中采用键盘和液晶显示器作为系统的输入输出模块。键盘输 入模块选用8279控制4x4阵列键盘,采用扫描方式由8279 得到键盘码并由中断服务程序把数据送给单片机。此方案不 专×  ̄1.041667MHz及 = 2 一 用单片机扫描,占用资源少。输出模块采用HZ128—64D20汉 显液晶模块,该模块自带一、二级汉字字库点阵,通过串行接 口与单片机相连。用液晶显示器可以实现多级菜单,用户界 面友好。操作方便。 张有志,等基于FPGA的幅值可调信号发生器设计 DB1 D9 D8 D7 D6 5V D5 D4 D3 D2 F AGND D1 DO 口 GND 呲一 :宝M略 吡 1kQ 舢哪 旦 DVDD 赢 IOUT: IOUT] AVDE 磊 C0MP] C0IlP: 节 BIASj 1ko 广 错 AGN[ SLEEP DGND EXT10 7, 。‘。。Ⅶ 亍 Dl …… CLK EXTLO AGND 图3幅度控制模块电路 Fig-3 Hardware circuit of amplitude control module 3系统软件设计4系统测试 FPGA系统采用硬件描述语言VHDL按模块化方式进行 由键盘设置输出信号波形的类型、频率和幅度等参数, 设计.并将各模块集成于FPGA芯片中。然后通过Quartus II 在50Q负载下,用示波器测试输出波形的频率和幅值,并与 软件开发平台对设计文件进行编译、优化、综合、布局布线和 设置值进行比较。由于在FPGA中经分/倍频后的结果与计算 逻辑仿真。最后对FPGA芯片进行编程,实现系统的设计要 时钟存在一定误差,因此,需通过软件进行补偿修正,以便使 求。单片机控制程序采用C语言进行设计,设计中采用了结 频率误差降到最低。对于信号幅度的控制,在程序中也采用 构化和层次化的设计方法[61,通过按键判断程序选择进入不 软件进行补偿修正。经过多次测试和反复改进,最终实现了 同的模式:波形选择、频率设置、幅度设置、波形参数显示4 如下技术指标: 种模式和1个复位模式(图中省略)。在不同的模式下分别执 1)输出波形正弦波、方波、三角波、锯齿波。通过对波 行相应的子程序,最后分别向FPGA写入相应的控制字。该 形查找表ROM的修改,可实现其它波形,易于系统升级。 系统程序流程如图4所示。 2)输出频率1 Hz~10 MHz。 3)频率分辨率 l Hz~1 MHz时为l Hz,1~10 MHz时为 10 Hz。 三三[ 波 4)频率稳定度优于10。。 波 频 幅 形 形 盛 参 5)输出电压0—5 V。 选 设 度 数 择 置 设 置 显 6)幅度分辨率10 bits。 子 子 子 示 程 程 程 子 序 序 序 程 5结束语 二二二[=  ̄FPGA写入相应控制字 本文给出了一种基于FPGA和DDS技术的信号发生器 设计方案,解决了输出信号幅值可调的问题,能产生较为理 图4程序流程图 想的正弦波、方波、三角波和锯齿波等信号波形,波形平滑, Fig.4 Flow chart of system (下转第120页) -117- 《电子设计工程)2Ol1年第9期 3)仿真运行分析逻辑分析仪显示波形如图7所示。 信号,现有的示波器多为双踪示波器无法同时观测多路波 形,用Muhisim软件仿真解决了这一问题。所述方法具有实 际应用意义。 参考文献: 图7中,“1”为控制量EN,的波形,“2”为控制量EN2的 波形,“3”为输入量A1的波形,…4’为输入量A 的波形,“5” 为输出函数y的波形。 由图7可知,EN :1、矾=0时,y输出函数的波形和 【1】任骏原,腾香,马敬敏.数字电子技术实验【M】.沈阳:东北大 学出版社.2010. 输入量A 的波形相同,实现对A。传输;ENl=0、EⅣ2=1时, y输出函数的波形和输入量A 的波形相同,实现对A: 传输。 【2]任骏原.电子技术课¥1CAI教学模式的探索与实践【J].电气 电子教学学报,2009,31(4):99—100. 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REN Jun—yuan.Design methods of differential input scaling operational circuit[J].Journal of Electircal&Electonirc Edu. cation,2011,33(1):104-105. 图7三态门总线分时传输逻辑功能仿真实验波形 Fig.7 Thme-state time-transfer transmission logic simulation waveforms 【5】阎石.数字电子技术基础【M】.北京:高等教育出版社, 2oo6. 3结束语 由于受实验仪器的无法对三态门工作波形进行硬 件实验验证,主要是,现有的信号发生器不能产生多路同步 【6】张晶,李心广.基if"Multisim ̄电路设计与仿真【J】.计算机仿 真,2005,22(5):109—15Z ZHANG Jing,LI Xin-guang.Muhisim based schematic design and simulation[J].Computer Simulation,2005,22(5):109—15Z (上转第ll7页) 无明显毛刺,响应速度快,频率范围广,稳定性好,幅值调节 XIA Xin-fan,CHEN Xiao ̄un,WU Yu,et a1.Desin ofg sine wave generator[J].Electronic Desin Engigneering,2009(5): 13—15. 精度高。系统实现简单、灵活,易于升级,实用性较强,具有较 好的应用前景。 参考文献: 【1]帅倩,吴国辉,代冀阳.基-t-FPGA ̄DDSi ̄计及实现【J].现 代电子技术。2010(13):90—92. [4]赵翰林.基于FPGA的DDS直接数字频率合成器设计与实现 [J].大众科技,2010(6):25—27. 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