基于fpga的函数信号发生器的设计初稿

基于fpga的函数信号发生器的设计初稿内容摘要：

波器设计，而且能完成 DSP 高级数据处理功能，因而 FPGA 在现代通信领域方面获得广泛应用。 在产品设计与制造方面，从高性能的微处理器、数字信号处理器，一直到彩电、音响和电子玩具电路等， EDA技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试，而且也在电子设备的研制与生产、电路板的焊接等方面有着重要的作用。 可 以说电子 EDA技术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持 [12]。 8 21 世纪将是 EDA 技术的高速发展阶段。 随着科技的进步，电子产品的更新日新月异，EDA 技术作为电子产品开发研制的源动力，已成为现代电子设计的核心，每年都有新的 EDA工具问世。 然而， EDA技术在我国尚未普及，应用的水平长期落后于发达国家。 因此，作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和掌握这一先进技术已势在必行，这不仅是提高设计效率的需要，更是我国电子工业在市场上生存、竞争与发展的需求。 掌握和普及这一全新的技术，将对我国电子技术的发展具 有深远的意义。 EDA技术的每一次进步 ， 都引起了设计层次上的一个飞跃。 物理级设计主要指 IC版图设计，一般由半导体厂家完成，对电子工程师并没有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。 DDS 技术的发展背景、意义及近年来的国内外发展概况 DDS 技术的发展背景、意义 在工业自动化系统中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输出信号。 随着工业的发展，对信号的保真度、频率的稳定性和准确性、幅值的稳定性提出了越来越高的要求，作为电子系统必不可少的组成部分的信号源，在很大程度上决定了系统的性 能，因而常称之为电子系统的“心脏”。 传统的信号源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大、灵活性与准确度差。 而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高，而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。 所以要实现高性能的信号源，必须在技术手段上有新的突破。 随着计算机、数字集成电路和微电子技术的发展，频率合成技术有了新的突破 — 直接数字频率合成技术，它是将先进的数字信号处理理论与方法引入到信号合成领域的一项新技术，它的出现为进一步提高信号的频率稳定度提供了新的解决方法。 同时， 随着微电子技术的迅速发展，尤其是微控制器的发展，智能仪器也有了新的进展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不断提高。 频率合成就是通过参考源产生高精度新的频率信号，其输出指标，尤其是精度方面，取决于参考源。 频率合成技术的理论形成于二十世纪三十年代左右，从早期的直接模拟频率合成技术 (DAS)到第二代锁相环频率合成技术 (PLL)，直到目前较先进的直接数字式频率合成技术 (DDS一 erictdigiatlsnyhtesiezr)，经历了三个发展阶段，下面分别作一下介绍 : （ 1）直接模拟合成 DAS是用硬件对高稳 定的参考源频率进行加、减、乘、除得出所需频率，可实现快速频率转换、高频率分辨率。 其优点是输出频率高，频率切换速度快，输出相位噪声低。 但由于采用大量模拟电路，电路复杂，容易产生过多的谐波和杂散分量，大多数硬件的非线性影响无法滤除。 不稳定因素多，难以实现集成化。 （ 2）波形产生的第二个里程碑是基于锁相环 (PLL)技术的函数发生器的开发。 锁相环技术伊 LLPhaseLokcdeLooP)，它是一种间接的频率合成方法，即把一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频和分频等一系列非线性器件，产生大量的谐波或组合频率，然 后用锁相环把压控振荡器 (VCO)的频率锁定在某一组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。 它的优点在于可以很好的选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大量使用滤波器，结构简单，利于集成化，但系统固有的惰性限制了频率转换的速度，频率间隔不能做得很小，且系统内插入的压控振荡器带来了新的噪声比较大的问题。 （ 3）直接数字频率合成 (DD)s是一种基于波形存储的频率合成技术，综观整个 DDS技术的发展历程，我们把它大体上分为三个阶段 : 1)加世纪 70年代，这个时期美国人 .J五 emcy 提出了 DDs的概念和主 要原理 112]，引 9 起了国际学术界的广泛重视，许多人开始接触全新的 DDs技术。 但由于当时的工艺和技术原因， DDS技术远远不能够达到实用，这个时期的发展十分缓慢。 2)20世纪 80~%年代，学术界掀起了对 DDS 谱质进行研究的热潮。 许多学者开始从理论上研究 DDS 输出杂散较大这一阻碍其发展的瓶颈问题。 Nicholas 建立了杂散信号模型，对DDS相位截断引起的杂散进行了深入的探讨，并以数论为基础得到了一些有益的结论。 随后，Gvarye和 Bbatihc从波形分析角度、 KroPua从傅氏角度都进行了类似的讨论。 在深入研究 、认识了 DDS杂散成因及其分布规律后，对 DDS杂散抑制的成果便不断出现。 其中包括对 DDS相位累加器的改进、 ROM数据压缩、抖动注入技术的使用、利用扰码来抑制杂散以及对 DDS工艺结构和系统结构的改进等等。 这一阶段， DDS的理论基础更加完善，一些 DDS技术的关键问题被解决。 3)20世纪 90年代至今，由于理论上的完善、工艺的提高、以及实现方式的简便化，促成了 AD、 Qualoc~和 SotLnofdr等公司一系列性能优良的 DDS器件不断出现，一些芯片的工作频率可达 1GHz，频率分辨率可达 mllz，排除 DAC限制，杂 散指标可达一 70db以下。 利用这些专用芯片，惠普、泰克等公司开始研制基于 DDS的各种信号源。 可以说， DDS技术到了一个空前繁荣的历史时期。 DDS 技术之所以如此倍受瞩目，因为它有许多优点。 与传统频率合成技术相比， DDS具有以下几个突出的优点： (1)极高的频率分辨率 由△ f=fmin=fc/2N可知，只要增加相位累加器的位数 N即可获得任意小的频率调谐步进。 大多数 DDS的分辨率在 Hz， mHz‘甚至 uHz的数量级。 (2)超高速的频率转换时间 DDS 是一个开环系统，无任何反馈环节，频率转换时间主要由 LPF 附加的时延来决定。 如fc=10MHZ，转换时间即为 100ns，若时钟频率升高，转换时间将缩短，但不可能少于数字门电路的延迟时间。 目前 DDS的调谐时间一般在 ns级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 (3)相位噪声低、变频相位连续 DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的信号噪声与参考源的相位噪声相同。 而在大多数 DDS系统应用中，一般由固定的晶振来产生基准频率，所以其相位噪声和漂移特性是极为优异的。 (4)连续的相位变化 同样因 DDS是一个开环系统，故当一个转换频率的 指令加在 DDS的数据输入段时，它会迅速合成所要求的频率信号，在输出信号上没有叠加任何电流脉冲，输出变化是一个平稳的过渡过程，而且相位是连续变化的，这个特点也是 DDS独有的。 (5)全数字化极易实现计算机全自动化控制，集成度高、容易实现小型化。 但由于 DDS的全数字结构，也带来了两个缺点 :输出杂散较大和输出带宽受限。 抑制输出杂散的两种设计方法 (优化波形存储表和修正 DDS 的结构 )广泛采用降低了输出信号的杂散分量，并且随着微电子技术的进步与技术的改进， DDS输出带宽的受限问题己逐步克服。 但随着 DDS输出带宽的扩展 ， DAC的非理想特性特别是动态响应特性对输出杂散的影响越来越严重，因此一段时间内这也是一个重要研究课题。 因为 DDS具有的优点对于保密通讯，快速电子对抗，多普勒模拟，核磁共振成像，电子测量仪器等领域有极大的吸引力，从而推动着人们对 DDS技术的研究与改进，并取得了很大的成功。 特别随着集成电路制造工艺的改进与提高，目前已有很多公司 (如 AD 公司、 TI 公司、 Qualocmn公司 )都推出了高性能的 DDS专用芯片。 而在电子测量仪器领域，由于采用了DDS技术，使得高精度的标准信号源以及任意波发生器的电路大大简化，性能大幅 度提高， 10 并且使仪器制造成本大幅度降低，体积大大缩小。 因此，在电子测量仪器领域 DDS技术得到越来越广泛的使用。 有人预言，随着高速微电子技术的进一步发展， DDS信号源将成为整个电子工业界信号源的主流。 DDS 技术近年来的国内外发展概况 运用 DDS 技术生产的 DDS 任意波形信号发生器及高精度标准函数信号发生器在工业测试、航天电子、国防、高等教育等领域有着极为广泛的应用，国际知名的专业电子测量仪器制造商 (如美国的几 K公司、 AGLINET公司、 FLUKE公司、 LECORY 公司、日本的 1认梢 TLSU公司、 YOKOGA场认公司、 NF公司 )都推出了多系列适于不同用途的高性价比的产品。 一些高端的信号发生器甚至可以产生通讯信号。 同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提高。 如 HP 公司的 HP33120 可以产生 10mHz15MHZ的正弦波和方波，同时还可以产生 ，任意波形深度 16000点，采样率 40M，还具备了调制功能，可以产生 AM、 FM、 FSK、猝发、扫频等信号 ]。 HP公司的 HP33250可以产生 1uHz80MHz的正弦波和方波，产生 luHz到 25M的任意波形，任意波形深度 64K点，采样率 200M。 同时也具备了 AM、 FM、 FSK、碎发、扫频等功能。 BKPRECIslON公司的 4070A型函数级任意波形发生器正弦波和方波输出频率 DC一 、频率分辨率 10mHZ。 同时还具有 AM、 FM、 PM、 SSB、 BPSK、 FSK、碎发、 DTMFGneeratino和 DTMFDeetctino 的功能。 并且具有了和 PC机良好的接口，可以通过 WNID0wS界面的程序进行任意波形的编辑。 在国内，高精度的标准信号源产品较少且技术落后，可靠性差。 并且对 DDS的研究起步较晚，主要还局限于理论和实验 阶段， DDS芯片几乎还是空白，与国外发达国家水平相比差距比较大。 现有的基于 DDS 技术的函数发生器国内还处于研制阶段 (国外己有产品，如HP33120)。 国 外生 产 DDS 芯 片 的公 司较 多 ，目 前国 内 主要 使用 美国 A 刀alogdveiecs(AD98xx)、 Qualocm公司 (如 :Q22 Q3216I、 Q233 Q2230C等 )和刀 D公司 (如AD7o08等 )的产品。 由于 DDS技术在波形合成方面的种种优点，以及随着国内电子、电信 事业的发展，对任意波形发生器的要求的不断提高，尽快研制出我们自己的相关产品对我国的国防、 科研、教育有着重要的意义。 课题背景 随着电子技术的发展，在各类电子系统中，数字电路所占比重越来越大。 当前数字系统的设计正朝向着速度快、容量大、体积系统行为和功能描述外小、重量轻的方向发展。 目前数字系统的设计可以直接面向用户需要，根据系统的行为和功能要求，自上至下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。 上述设计过程除了，其余所有的设计过程几乎都可以用计算机来自动地完成，也就是说做到了电子设计自动化（ EDA）。 电子设计自动化（ EDA）的关键技术之一是要求用形式化方法来描述数字系统的硬 件电路，即要求用所谓硬件描述语言来描述硬件电路。 此技术是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术，与电子技术、微电子技术的发展密切相关。 EDA 技术的每一次进步 ,都引起了设计层次上的一个飞跃。 在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。 函数发生器是使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形，有的还同时具有调制和扫描功能。 函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。 例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。 11 在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。 信号源是用于测量研究的主要仪器。 随着科学技术的发展，信号源的应用也将更加广泛。 在现代工业生产和科学研究领域中，在高速数据采集系统中，信号源作为一种校验设备，需要及时、有效地向采集设备提供高频信号，用于检验数据采集器的工作情况；同时信号源还应该能够提供一些必要的控制信号，用于对数据采集系统的控制。 从这 个意义上来说，信号源本身的工作应该更稳定、可靠；另一方面，小型化、通用化信号源的设计和实现是信号采集系统的必然要求。 因此，必须采用先进的设计方法和大规模可编程逻辑器件加以实现才能适应这种发展趋势， CPLD/FPGA等大规模可编程逻辑器件的发展和 EDA技术的成熟为此奠定了良好的软硬件基础。 国内外信号发生器的发展状况 信号发生器是能够产生大量标准信号和用户定义信号，并保证它的高精度和高稳定性，可重复行和易操作性的电子仪器。 函数信号发生器应该具有连续的相位变换和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号还 可以对频率、幅植、波形、相移进行动态的及时控制。 在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数信号发生器介于两者之间，能够提供 正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形 ，产生其他的波形还得采用复杂的电路和机电结合的方法，这个时期的信号发生器存在两个突出的问题，一是通过电位器等的调节来实现输出频率的调节；二是脉冲的占空比不可调节。 在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、 D/A 转。