【正文】 小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 3 基于 FPGA 的波形發(fā)生器設(shè)計(jì) 現(xiàn)場(chǎng)可編程 門(mén)陣列 (FPGA)簡(jiǎn)介 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列它是在 PAL、 GAL、 EPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。通過(guò)運(yùn)用流水技術(shù)在保證相位累加器工作頻率的前提下，相位累加器的字長(zhǎng)可以設(shè)計(jì)得更長(zhǎng)，如AD9852 的相位累加器達(dá)到了 48 位，大大提高了輸出信號(hào)的頻率分辨率。其中以 AD 公司的產(chǎn)品比較有代表性。 但 DDS 也有比較明顯的缺點(diǎn)： (1)輸出信號(hào)的雜散比較大， (2)輸出信號(hào)的帶 寬受到限制。波形存儲(chǔ)器的輸出送到 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(hào)。 DDS 的核心就是相位累加器，利用它來(lái)產(chǎn)生信號(hào)遞增的相位信息，整個(gè) DDS 系統(tǒng)在統(tǒng)一的參考時(shí)鐘下工作，每個(gè)時(shí)鐘周期相位累加器作加法運(yùn)算一次。 圖 21 是 DDS 的結(jié)構(gòu)原理。 ：指的是輸出頻率在一定時(shí)間間隔內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)頻率偏 差的數(shù)值，它分長(zhǎng)期、短期和瞬時(shí)穩(wěn)定度三種。通過(guò)改變頻率控制字可以很方便地改變輸出頻率，通過(guò)更新存儲(chǔ)器的波形數(shù)據(jù)可以得到不同的波形輸出，即可實(shí)現(xiàn)任意波形輸出。數(shù)字鎖相環(huán)構(gòu)成的數(shù)字式頻率合成器是目前通信、儀表、雷達(dá)等電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用的一種 頻率合成技術(shù)。直接頻率合成方法具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、近載頻相位噪聲性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于大量的倍頻，混頻等電路，就要有不少濾波電路，使合成器的設(shè)備結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過(guò)多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。如需更新輸出信號(hào)，不必改動(dòng)任何線路和元器件，只需改寫(xiě)存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)即可。 可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址方式 采用可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 尋址波形存儲(chǔ)器表，該方法是一種傳統(tǒng)型任意波形發(fā)生器。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為 波形 發(fā)生器。早期的 DDS 系統(tǒng)使用分離的數(shù)字器件搭接 ,隨著整個(gè)電路系統(tǒng)運(yùn)行頻率的提高 ,采用分離器件構(gòu)建的 DDS 電路有其自身無(wú)法克服的缺點(diǎn) ,主要表現(xiàn)在電磁兼容和系統(tǒng)工作頻率上。 DDS 可以產(chǎn)生兩路相位嚴(yán)格正交的信號(hào)，在正交調(diào)制和解調(diào)中的到廣泛應(yīng)用，是一種很好的本振源。同 時(shí)輸出波形的頻率分辨率、頻率精度等指標(biāo)也有很大的提高。同時(shí)都采用了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高性能。通過(guò) DDS 這種方法產(chǎn)生任意波是一種簡(jiǎn)單，低成本的方法，通過(guò)增加波形點(diǎn)數(shù)可以使輸出達(dá)到很高的精度，這都是其他方法所無(wú)法比擬的。比如電參量的測(cè)量、 雷 達(dá)、通信、電子對(duì)抗與電子系統(tǒng)、 宇航和嚴(yán)控遙測(cè)技術(shù)等等，從某種意義上說(shuō)高品質(zhì)信號(hào)源更是實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的功能都直接依賴于所用信號(hào)源的性能 ，因此，高品質(zhì)信號(hào)源被人們喻為眾多電子系統(tǒng)的“心臟”。如 AD700 AD9850、 AD985 AD985 AD9858等。而不是之前型號(hào)的 32 位，這樣輸出信號(hào)的頻率分辨率大大提高了。 BK PRECISION 公司的 4070A 型函數(shù)級(jí)任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波和方波輸出頻率 DC21． 5MHz，頻率分辨率 10mHZ。 為了進(jìn)一步提高 DDS 的輸出頻率，產(chǎn)生了很多 DDS 與其他技術(shù)結(jié)合的頻率合成方法。 Summary Waveform generator is a widely used in electronic circuits, automatic control and scientific experiments in areas such as the signal source. For example, the measurement of electrical parameters, radar, munications, electronic warfare and electronic systems, aerospace and strictly controlling telemetry, etc., in a sense of highquality signal source is the key to the achievement of performance indicators, The features of many modern electronic devices and systems are directly dependent on the signal source that used in the performance , Therefore, highquality signal source was described as a large number of electronic systems heart. With munication, the continuous development of radar, multisignal sources, frequency stability, spectral purity, frequency range and the number of output frequencies, as well as the shape of the signal waveform to a growing number of requests. In order to improve the signal source output frequency stability, such as crystal oscillator can be used to resolve this issue. In order to meet the requirements of multifrequency number, frequency synthesis technology can be used, that is, addition and subtraction through multiplication and division of the frequency of operation can be seen from a high stability and high accuracy of the standard frequency source, resulting in a large number of have the same stability and accuracy of different frequencies. The use of DDS technology is the design of a mon waveform generator means, DDS not only can produce sine wave at the same time can generate arbitrary wave, this is the manner in which the other frequency synthesizer does not have the characteristics of any wave in all fields have a wide range of applications. Through the DDS arbitrary wave of such methods is a simple, lowcost way to increase the output waveform points can be achieving a high degree of accuracy, by other means this is second to none. Since the 8039。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高 或低的振蕩器。計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的地址碼提供出存儲(chǔ)器中波形數(shù)據(jù)所需要的地址信號(hào) ,波形數(shù)據(jù)被依次讀出后送至高速Ｄ /Ａ轉(zhuǎn)換器 ,將之轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量 ,經(jīng)低通濾波器后輸出 所需的波形。頻率合成技術(shù)是產(chǎn)生頻率源的一種現(xiàn)代化手段，已廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、電子偵察、干擾與反干擾、遙控遙測(cè)及現(xiàn)代化儀器儀表中。 間接合成（ IndirectFrequencySynthesis，簡(jiǎn)稱 IS ）又稱鎖相頻率合成PhaseLockedLoop Frequency Synthesis，簡(jiǎn)稱 PLLFS），是利用 鎖相環(huán)路的窄帶跟蹤特性來(lái)得到不同的頻率。除此之外，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率和相位都很難控制。 頻率合成器主要指標(biāo) 信號(hào)源的一個(gè)重要指標(biāo)就是能輸出頻率準(zhǔn)確可調(diào)的所需信號(hào)。 ：頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來(lái)衡量，雜散分量為諧波分量和非諧波分量?jī)煞N，主要由頻率合成過(guò)程中的非線性失真產(chǎn)生，相位噪聲是衡量輸出信號(hào)相位抖動(dòng)大小的參數(shù)。相位累加器由加法器與累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。 ROM 表完成將累加器相位信息轉(zhuǎn)換為幅值信息的功 能。系統(tǒng)工作時(shí)，累加器的單個(gè)時(shí)鐘周期的增量值為 Δψ=K*2π /2N ，相應(yīng)角頻率為ω =Δψ/Δt=Δψ/Tc =2π *K *fc/2N，所以 DDS 的輸出頻率為 fDDS =ω/2π = K *fc/2N， DDS 輸出的頻率步進(jìn)間隔 ΔfDDS= fc/2N。如通過(guò)增長(zhǎng)波形 ROM 的長(zhǎng)度以減小相位截?cái)嗾`差；通過(guò)增加波形 ROM 的字長(zhǎng)和 D／ A 轉(zhuǎn)換器的精度以減小 D／ A 量化誤差等。這些芯片還具有調(diào)制功能。接上精密時(shí)鐘源， AD9850 可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。 FPGA 的基本特點(diǎn)主要有： (1）采用 FPGA 設(shè)計(jì) ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。用單片機(jī)配置FPGA 器件時(shí)，關(guān)鍵在于產(chǎn)生合適的時(shí)序。 FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。 FPGA 的編程技術(shù)。 MAX+PlusⅡ開(kāi)發(fā)軟件支持多種設(shè)計(jì)文件的輸入，所能接受的設(shè)計(jì)文件包括原理圖設(shè)計(jì)文件，硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)文件，波形 圖設(shè)計(jì)文件，以及第三方 EDA工具提供的 EDIF 文件等。是電子系統(tǒng)硬件行為描述、結(jié)構(gòu)描述、數(shù)據(jù)流描述的語(yǔ)言，目前利用硬件描述語(yǔ)言可以進(jìn)行數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 其實(shí)實(shí)體是一個(gè) VHDL 程序的基本單元，由實(shí)體說(shuō)明和結(jié)構(gòu)體兩部分組成。用戶可以直接引用，而不必從頭編寫(xiě)。一個(gè)電路系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)只有一個(gè)實(shí)體，可以有多個(gè) 結(jié)構(gòu)體。因?yàn)?，只要改變FPGA 中的 ROM 數(shù)據(jù)， DDS 就可以產(chǎn)生任意波形，因而具有相當(dāng)大的靈活性。 FLEX（可更改邏輯單元陣列）采用可重構(gòu)的 CMOS SRAM 單元，其結(jié)構(gòu)集成了實(shí)現(xiàn)通用多功能門(mén)陣列所需要的全部特性。多種器件在靜態(tài)模式下的電流小于 。 每個(gè)引腳都有一個(gè)獨(dú)立的三態(tài)輸出使能控制、漏極開(kāi)路配置選項(xiàng)和可編程輸出壓擺率控制。當(dāng)然這里說(shuō)到的只是離散的數(shù)字值， rom表輸出的表示信號(hào)幅度的值還必須加到后面的 D/A 后才能變?yōu)槟M信號(hào)，這里的波形才是真正的周期性的正弦波。相位累加器的輸出從 0255 變化，而這個(gè)變化一定有個(gè)時(shí)間的問(wèn)題，即從 0255 變 化一個(gè)周期需要多長(zhǎng)的時(shí)間 T，我們可以想到如果這個(gè)時(shí)間很短，那么輸出的波形變化的頻率也一定會(huì)很快，而如何這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)，輸出的波形也要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間才能變化一個(gè)周期。相位累加器的輸出為 32位，這里取高 8位，作用相位調(diào)制器的輸入。 32 位加法器（ adder32b）