【正文】 由于 FPGA 的工作電壓為 5V，所以幅度分辨率為： Adiv=5/216 =,故都能達到指標(biāo)要求。所以，其相位差調(diào)節(jié)分辨率為： 360176。且 clkf 的 取值受到 D/A 轉(zhuǎn)換速率的限制，因 D/A轉(zhuǎn)換器 AD7521 的轉(zhuǎn)換速率為 500ns，即頻率為 2MHZ，綜合考慮選取晶振基準(zhǔn)頻率為 。 基于 DDS 的精密正弦信號發(fā)生器的設(shè)計 24 為保證輸出頻率 20KHZ 以上時，取樣點數(shù)不小于 64 點，以減小失真，這樣時鐘頻率必須大于 。 系統(tǒng)頻率、相位和幅度的計算 正弦波可表示為 :F=Asin(2Л of ),數(shù)字量最終轉(zhuǎn)換為模擬量時可表示為： F=Asin(θ k1+Δ θ ) （ ） 式中 of 為輸出正弦波頻率， A 為輸出正弦波的幅度， Δ θ 為一個時鐘周期 Tclk 的相位增量，即 2Л Tclk。 圖 51 MAX+PLUSⅡ 的設(shè)計流程 基于 DDS 的精密正弦信號發(fā)生器的設(shè)計 23 本設(shè)計是在 EDA 設(shè)計平臺上實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真，所以需要的裝置主要有 PC 機和Altera 公司的 MAX+plusⅡ軟件。模擬仿真是在考慮設(shè)計項目具體適配器件的各種延時的情況下仿真設(shè)計項目的一種項目驗證方法，稱為后仿真。然后對設(shè)計項目進行網(wǎng)表提取、邏輯綜合、器件適配，并產(chǎn)生報告文件，延時信息文件和器件編程文件，供分析、仿真和編程使用。邏輯設(shè)計的輸入方法有原理圖形輸入、文本輸入、波形輸入及第三方 EDA 工具生成的設(shè)計網(wǎng)表文件輸入等。 MAX+PLUSⅡ 具有開放的界面，可與其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 EDA 設(shè)計輸入、綜合及校驗工具相連接。并在掃描頻率的控制下對鍵盤的列輸出信號進行掃描，當(dāng)有鍵按下，則讀入相應(yīng)的數(shù)值進行相應(yīng)的處理。利用程序控制，當(dāng)輸入頻率小于 10HZ 時，顯示 000000HZ；當(dāng)輸入頻率大于 100，000HZ 時，顯示 888888HZ,更好的實現(xiàn)人機交流。 為保證穩(wěn)幅輸出，選用 AD817，這是一種低功耗、高速、寬帶運算放大器 , 具有很強的大電流驅(qū)動能力。 DAC0832 與反比例放大器相 連 ， 實現(xiàn)電 流到 電壓 的 轉(zhuǎn)換 ，因此 輸 出模擬 信 號 的極性與 參考電壓 的極性相反， 數(shù) 字量與模 擬 量的 轉(zhuǎn)換關(guān)系為 V01=nD2Vref () 式中 D = 00112211 22.. .22 DDDD nnnn ??? ???? 為基準(zhǔn)電壓。本設(shè)計選用直通方式。 DAC0832 結(jié)構(gòu)： D0～ D7： 8 位數(shù)據(jù)輸入線， TTL 電平，有效時間應(yīng)大于 90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯 )； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； 顯示電路模塊 4*4 鍵盤模塊 FPGA DA模塊 低通濾波器 輸出 基于 DDS 的精密正弦信號發(fā)生器的設(shè)計 17 CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于 500ns）有效。 ADC0832 的介紹： DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片。其具體組成框圖如下圖 41 所示： 圖 41 系統(tǒng)組成框圖 D/A 轉(zhuǎn)換電路 因為要產(chǎn) 生兩路具有相位差的正弦波，所以必須采用一片 D/A 轉(zhuǎn)換芯片將兩路信號分別轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。由于本設(shè)計只需要輸出正弦波，故考慮了以下的優(yōu)化方式：正弦波信號對于 x=π直線成奇對稱 ，基于此可以將 ROM 表減至原來的1/2，再利用左半周期內(nèi)，波形對于點（π /2， 0）成偶對稱，進一步將 ROM 表減至最初的 1/4，因此通過一個正弦碼表的前 1/4 周期就可以變換得到的正弦的整個周期碼表，這樣就節(jié)省了將近 3/4 的資源 [15]。該電路通常采用 ROM 結(jié)構(gòu)，相位累加器的輸出是一種數(shù)字式鋸齒波，通過取它的若 干位作為 ROM 的地址輸入，而后通過查表和運算， ROM 就能輸出所需波形的量化數(shù)據(jù)。為 了進一步提高速度，在設(shè)計相位累加器模塊和加法器模塊時并沒有采用 FPGA 單元庫中16～ 32 位加法器，盡管它們可以很容易地實現(xiàn)高達 32 位的相位累加器，但當(dāng)工作頻率較高時，它們較大的延時不能滿足速度要求，故不可取。另一種提高速度的辦法是采用流水線技術(shù)，即把在一個時鐘內(nèi)要完成的邏輯操作分成幾步較小的操作，并插入幾個時鐘周期來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率。另外采用 VHDL 硬件描述語言實現(xiàn)整個 DDS 電路，不僅利于設(shè)計文檔的管理，而且方便設(shè)計的修改和擴充，還可以在不同 FPGA 器件之間實現(xiàn)移植。而利用 FPGA 則可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復(fù)雜的調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，具有良好的實用性。相位累加器的輸出對應(yīng)于該合成周期信號的相 位，并且這個相位是周期性的，在 0～ N2 范圍內(nèi)起變化。 本設(shè)計可基于 DDS 的 基本原理 ，利用 Altera 公司的 FPGA 芯片 FLEX10 系列器件 設(shè)法將波形采樣點的值依次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ MDAC）轉(zhuǎn)換成模擬量輸出 ,可達到預(yù)期的目的，具有較高的性價比 。頻率合成有多種實現(xiàn)方法，其中32位寄存器 32 位相位累加器 32位寄存器 正弦表ROM 頻率控制字 Fclk Fo 高 12 位 M 序列 1K 正弦ROM 乘法器 最大頻偏 加 法 器 頻率控制字 載 波 ROM 調(diào)頻波 基于 DDS 的精密正弦信號發(fā)生器的設(shè)計 13 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)與傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)相比具有難以比擬的優(yōu)點，如頻率切換速度快、分辨率高、頻率和相位易于控制等 。原理框圖如 36 所示： 圖 36 ASK 調(diào)制原理框圖 FSK 調(diào)制原理 這里我們約定輸入為 1 時， PSK 輸出初始相位為 0，輸入為 0 時，輸出反相。原理組成框圖如圖 35 所示 : 32位寄存器 32 位相位累加器 32位寄存器 正弦表ROM 頻率控制字 Fclk Fo 高 12 位 256KHz AM 波 8位計數(shù)器 8 位 正弦ROM 幅值放大 直流疊加 乘法器 Fo 調(diào)制度控制字 基于 DDS 的精密正弦信號發(fā)生器的設(shè)計 12 圖 35 FM 調(diào)制原理組成框圖 ASK 調(diào)制原理 根據(jù) ASK 的定義，輸入為 1 時，輸出幅度最大，輸入為 0 時，輸出為 0，可以很容 易得到 ASK 信號。 頻率控制字 K 輸出序列 N N 位 加法器 N 位相位 寄存器 基于 DDS 的精密正弦信號發(fā)生器的設(shè)計 11 圖 33 正弦波發(fā)生模塊原理框圖 AM 硬件實現(xiàn)原理 我們用將系統(tǒng)時鐘分頻得到的 256KHz 的時鐘作為一個 8 位的計數(shù)器的時鐘，該計數(shù)器的輸出作為一個 8 位正弦表 ROM 的地址發(fā)生器，從而得到一個 1KHz 的調(diào)制波。輸出頻率 Fout=M*Δf（ M 為頻率控制字），由此式可知，只要改變頻率控制字 M 即可改變輸出頻率。由采樣原理可知，如果使用兩個相同的頻率合成器，并使其參考時鐘相同，同時設(shè)定相同的頻率控制字、不同的初始相位，那么在原理上就 可以 實現(xiàn)輸出兩路具有一定相位差的同頻信號 。 新的數(shù)據(jù)送到相位累加器時，它們之間的相位關(guān)系可以得到保持，也可以通過相位控制字來調(diào)節(jié)兩片 頻率合成器 之間的相位差 [4]。波形 內(nèi) 存的 輸 出送到 D/A 轉(zhuǎn)換 器， D/A 轉(zhuǎn)換 器 將數(shù) 字量形式的波形幅值 轉(zhuǎn)換 成所要求合成 頻 率的模 擬 量形式信 號 [3]。每 來 一 個時鐘脈沖 fs，加法器 將頻 率控制字ｋ與累加寄 存器輸 出的累加相位 數(shù) 據(jù)相加，把相加后的 結(jié) 果送至累加寄存器的 數(shù) 據(jù) 輸 入端。 EPF10K10LC844 的主要參數(shù)如表 31[17]： 基于 DDS 的精密正弦信號發(fā)生器的設(shè)計 9 表 31 EPF10K10LC844 的主要參數(shù) 邏輯門數(shù) I/O 門數(shù) 電源 V 速度等級 /ns 邏輯單元 RAM /bit 參數(shù) 10000 84 4 576 6144 其 5V 外部電源和 TTL、 CMOS 電平兼，豐富的寄存器資源和 I/O 口， 40MHZ的工作頻率滿足基準(zhǔn)時鐘 10MHZ 的要求，其優(yōu)良的特性完全可以實現(xiàn) DDS 芯片的功能。 FLEX10K是 Altera 公司 1995 年推出的產(chǎn)品系列，它集合了可編程器件的靈活性，采用 mCMOS SRAM 工藝制造，器件規(guī)模從 10000 門到 250000 門，系統(tǒng)時鐘可以達到 204MHZ，兼容 66MHZ， 64 bit PIC，采用獨特的嵌入式陣列和邏輯陣列的邏輯實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，同一系列相同封裝的芯片在管腳上滿足兼容 [16]。 2020 年 12 月收購 agere 公司（原 Lucent 微電子部）的 FPGA 部門。 可以講 Altera 和Xilinx 共同決定了 PLD 技術(shù)的發(fā)展方向 。產(chǎn)品種類較全，主要有： XC9500， Coolrunner ， Spartan, Virtex 等。 Altera是著名的 PLD 生產(chǎn)廠商，多年來一直占據(jù)著行業(yè)領(lǐng)先的地位。 目前世界上有十幾家生產(chǎn) CPLD/FPGA 的公司，最大的三家是： ALTERA XILINX Lattice 其中 ALTERA 和 XILINX 占有了 60%以上的市場份額。若在系統(tǒng)級應(yīng)用中，開發(fā)人員不具備系統(tǒng)的擴充開發(fā)能力，只是搞搞編程是沒什么意義的，當(dāng)然設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)是另一種情況，搞系統(tǒng)級應(yīng)用看似起點高，但不具備深層開發(fā)能力，很可能會變成愛好者，就如很多人會做網(wǎng)頁但不能稱做會編程類似以上是幾點個人開發(fā)，希望能幫助想學(xué) FPGA 但很茫然無措的人理一理思路。使用 FPGA 還可以實現(xiàn)動態(tài)配置、在線系統(tǒng)重構(gòu)（可以在系統(tǒng)運行的不同時刻，按需要改變電路的功能，使系統(tǒng)具備多種空間相關(guān)或時間相關(guān)的任務(wù)）及硬件軟化、軟件硬化等功能。 FPGA 由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的 I/O 單元陣列構(gòu)成，一個FPGA 包含豐富的邏輯門、寄存器和 I/O 資源。 FPGA 內(nèi)部僅用來產(chǎn)生各種信號并接收單片機發(fā)來的控制命令且 FPGA 運行速度非常高完全可以滿足題目的要求。方案三的方法在軟、硬件電路設(shè)計上都簡單，且與我們的設(shè)計思路緊密結(jié)合。 VHDL 語言是電子設(shè)計領(lǐng)域的主流硬件描述語言 ,具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng)進行建模和描述，從而大大降低了硬件設(shè)計任務(wù)，提高了設(shè)計效率和可靠性 ,要比模擬電路快得多。雖然用此方案產(chǎn)生的信號具有頻譜純度高、集成度高等優(yōu)點。其優(yōu)點是工作頻率可望做得很高，也可以達到很高的頻率分辨率；缺點是使用的濾波器要求通帶可變，實現(xiàn)很難，高低頻率比不可能做得很高。； （ 3）兩路輸出正弦波信號，峰峰值分別在 ～ 5V變化； （ 4）數(shù)字顯示頻率、相位差。單片機 通過接口電路 控制 FPGA 構(gòu)成的 DDS 系統(tǒng)，通過鍵盤 送人頻率控制字、相位控制字和幅值控制字，使其輸出一 定頻率、相位和幅值的正弦波信號，經(jīng)過低通濾波器后形成平滑的正弦波。 （ 4）信號發(fā)生器相位差 0176。與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比較而言，產(chǎn)生的數(shù)字信號干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡單方便，成本低?，F(xiàn)在許多DDS 芯片 都 直接提供了實現(xiàn)多種數(shù)字調(diào)制的功能，實現(xiàn)起來比較簡單，而要實現(xiàn)模擬線性調(diào)制具有一定的難度。低相噪高純頻譜和高速捷變的頻率合成器一直是頻率合成技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)， DDS 技術(shù)的發(fā)展將有力地推動這一目標(biāo)的實現(xiàn)。再加上現(xiàn)在電子技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，產(chǎn)品的技術(shù)含量越來越高，使得芯片的復(fù)雜程度越來越高，人們對數(shù)萬門乃至數(shù)百萬門設(shè)計的需求也越來越多，特別是專用集成電路（ ASIC）設(shè)計技術(shù)的日趨進步和完善 ，推動了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的迅速發(fā)展。為達到此目標(biāo)，必須采用少量的 IC 器件使面積盡可能 研究此課題的目的和意義 隨著我國的經(jīng)濟日益增長，社會對電子產(chǎn)品的需求量也就越來越大。 電子系統(tǒng)的集成化，不僅可使系統(tǒng)的體積小、重量輕且功耗低，更重要的是可使系統(tǒng)的可靠性大大提高?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展方向是功能更強，體積更小，速度更快，功耗更低。 頻率合成器是電子系統(tǒng)的心臟，是 決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。而通過設(shè)定不同的累加器初值 (K1)和初始相位值 (K2)，可以 調(diào)節(jié)兩路相同頻率正弦信號之間的相位差 ，從而產(chǎn)生數(shù)字式的頻率、相位和幅值可調(diào)的精密正弦波信號，最后通過 MAX+PLUSII演示仿真結(jié)果。側(cè)重敘述了用 FPGA 來完成直接數(shù)字頻率合成器 (DDS)的設(shè)計， DDS 由相位累加器和正弦 ROM 查找表兩個功能塊組成，其中 ROM 查找表由兆功能模塊 LPM_ROM 來實現(xiàn)。 關(guān)鍵字 單片機 DDS FPGA 正弦信號發(fā)生器 基于 D