基于DDS的信号发生器的设计.docx
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基于DDS的信号发生器的设计
基于DDS的信号发生器的设计
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摘要
在信号发生器的设计中,传统的用分立元件或通用数字电路元件设计电子线路的方法设计周期长,花费大,可移植性差。
本设计是用直接数字频率合成器(DDS),设计出两个相互正交的信号,该信号发生器输出信号的频率范围为:
0-400MHz,频率分辨率:
0.232Hz,频率误差范围:
-2%~2%,相位差的误差<4°。
与传统的频率合成方法相比,DDS合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续等诸多优点。
使用单片机灵活的控制能力与FPGA器件的高性能、高集成度相结合,可以克服传统DDS设计中的不足,从而设计开发出性能优良的DDS系统。
关键词:
单片机,直接数字频率合成,可编程逻辑器件
Abstract
Inthedesigningofthesignalgenerator,thetraditionalmethod,whichdesignselectroniccircuitsusingdiscretecomponentsorgeneraldigitalcircuitscomponents,takesalongtimewithhighcost,what’smore,thetransplantingabilityofitisunsatisfactory.Inthisdesign,thecircuitisdesignedthedesigningofDDS.Itsoutputfrequencyrangeis0to400MHz,theresolutionis0.232HZandzheerrorisbitween-2%and2%.
Comparedwithtraditionalmethodsoffrequencysynthesizing,directdigitalfrequencysynthesizing(DDS)haslotsofadvantages,suchasshorttimeofquickfrequencyexchanging,highfrequencyresolution,continuousphasechanging,etc.Micro-controlunithasischaracterizedby.ManydrawbackscanbeovercomeandagoodDDSsystemwithgoodperformancecanbedevelopedaftercombiningtheflexiblecontrolcapabilityofmicro-controlunitwithhighperformanceandintegrationoftheFPGAdevicesinthesamesystem.
Keywords:
MCU,DDS,FPGA
第一章绪言
1.1课题背景
在一些电子设备的电路板故障检测仪中,往往需要频率、幅度都能由计算机自动调节的信号源。
采用诸如MAX038信号发生器芯片外加电阻及切换开关等器件虽然也能调节频率和幅度,但这种调节是离散的,且电路复杂,使用不方便。
而采用直接数字合成芯片DDS及外加D/A转换芯片构成的可控信号源,可产生正弦波、调频波、调幅波及方波等,并且其信号的频率和幅度可由微机来精确控制,调节非常方便。
另外随着21世纪的到来,人类正在跨入信息时代。
现代通信系统的发展方向是功能更强,体积更小,速度更快,功耗更低。
而大规模可编程器件CPLD/FPGA在集成度、功能和速度上的优势正好满足通信系统的这些要求。
所以今天无论是民用的移动电话、程控交换机、集群电台、广播发射机和调制解调器,还是军用的雷达设备、图形处理仪器、遥控遥测设备、加密通信机中,都已广泛地使用大规模可编程器件[2]。
由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点,数字技术和数字集成电路的使用已经成为构成现代电子系统的重要标志。
电子系统的集成化,不仅可使系统的体积小、重量轻且功耗低,更重要的是可使系统的可靠性大大提高。
因此自集成电路问世以来,集成规模便以10倍/6年的速度增长。
从20世纪90年代初以来,电子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化。
为满足个人电脑、无绳电话和高速数据传输设备的发展需求,电子厂商们越加迫切地追求电子产品的高功能、优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸。
为达到此目标,必须采用少量的IC器件使面积尽可能小。
1.2课题研究的目的和意义
正弦信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器,广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。
随着电子信息技术的发展,对其性能的要求也越来越高,如要求频率稳定性高、转换速度快,具有调幅、调频、调相等功能,另外还经常需要两路正弦信号不仅具有相同的频率,同时要有确定的相位差[4]。
随着数字信号处理和集成电路技术的发展,直接数字频率合成(DDS)的应用也越来越广泛。
DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点,而可编程门阵列(FPGA)具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点,因此可以快速地完成复杂的数字系统。
由于模拟调相方法有生产性差、调试不方便、调制度控制不精确等缺点,因此采用数字方法实现各种模拟调制也越来越普遍[5]。
现在许多DDS芯片都直接提供了实现多种数字调制的功能,实现起来比较简单,而要实现模拟线性调制具有一定的难度。
因此本设计介绍了一种由单片机控制,并采用FPGA实现DDS功能,产生频率和相位可调的正弦波信号的方法。
单片机是实现各种控制策略和算法的载体。
波形发生器也可运用单片机技术,通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路,产生数字式的正弦波相位、频率和幅值可调的信号。
信号的频率、相位可通过键盘输入并显示。
与现有各类型波形发生器比较而言,产生的数字信号干扰小,输出稳定,可靠性高,特别是操作简单方便,成本低。
1.3国内外的研究状况
1.3.1波形发生器的发展状况
波形发生器亦称函数发生器,作为实验用信号源,是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。
目前,市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成,且波形种类有限,多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。
信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备,传统的可以完全由硬件电路搭接而成,如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一,不用依靠单片机。
但是这种电路存在波形质量差,控制难,可调范围小,电路复杂和体积大等缺点。
在科学研究和生产实践中,如工业过程控制,生物医学,地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。
而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意,而且由于低频信号源所需的RC很大;大电阻,大电容在制作上有困难,参数的精度亦难以保证;体积大,漏电,损耗显著更是其致命的弱点。
一旦工作需求功能有增加,则电路复杂程度会大大增加。
波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号,并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。
函数波形发生器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,还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制,并能够与其它仪器进行通讯,组成自动测试系统,因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。
在70年代前,信号发生器主要有两类:
正弦波和脉冲波,而函数发生器介于两类之间,能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形,产生其它波形时,需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。
这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术,而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点,并且要产生较为复杂的信号波形,则电路结构非常复杂。
同时,主要表现为两个突出问题,一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节,因此很难将频率调到某一固定值;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、A/D/和D/A,硬件和软件使波形发生器的功能扩大,产生更加复杂的波形。
这时期的波形发生器多以软件为主,实质是采用微处理器对DAC的程序控制,就可以得到各种简单的波形。
90年代末,出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统,它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。
HP8770A实际上也只能产生8中波形,而且价格昂贵。
不久以后,Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器,Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。
而近几年来,国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面:
(1)过去由于频率很低应用的范围比较狭小,输出波形频率的提高,使得波形发生器能应用于越来越广的领域。
波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。
波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。
同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式,复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。
从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展,各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。
目前可以利用可视化编程语言(如VisualBasic,VisualC等等)编写任意波形发生器的软面板,这样允许从计算机显示屏上输入任意波形,来实现波形的输入。
(2)与VXI资源结合。
目前,波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。
由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求,在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形,VXI的系统资源提供了明显的优越性,但由于开发VXI模块的周期长,而且需要专门的VXI机箱的配套使用,使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。
在民用方面,VXI模块远远不如台式仪器更为方便。
(3)随着信息技术蓬勃发展,台式仪器在走了一段下坡路之后,又重新繁荣起来。
不过
现在新的台式仪器的形态,和几年前的己有很大的不同。
这些新一代台式仪器具有多种特性,可以执行多种功能。
而且外形尺寸与价格,都比过去的类似产品减少了一半。
1.3.2国内外波形发生器产品比较
早在1978年,由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5MHz,可以形成256点(存储长度)波形数据,垂直分辨率为8bit,主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源,经过将近30年的发展,伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化,波形发生器的性能有了飞速的提高。
变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。
波形操作方法的好坏,是由波形发生器控制软件质量保证的,编辑功能增加的越多,波形形成的操作性越好。
表1.1给出了几种波形发生器的性能指标,从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。
表1.1一些波形发生器的性能指标
公司
Tektronix
Tektronix
横河电机
Wavetek
型号
AG320
AWG710
AG5100
295
最高采用频率
16MS/s
4GMS/s
1GMS/s
50MS/s
通道数
2
2
2
4
垂直分辨率
12bit
8bit
8bit
12bit
存储容量
64K
8M
8M
64K
输出电压
10V
2.5V
2V
15V
1.3.3本课题在国内外的研究现状
二十一世纪,随着集成电路技术的高速发展,出现了多种工作频率可过GHz的DDS芯片,同时也推动了函数波形发生器的发展,2003年,Agilent的产品33220A能够产生17种波形,最高频率可达到20M,2005年的产品N6030A能够产生高达500MHz的频率,采样的频率可达1.25GHz。
由上面的产品可以看出,函数波形发生器发展很快。
对目前而言,国外(美)研究和使用的信号发生器大多要求频率在10
HZ-50MHZ,产生正弦、三角、锯齿、方波、调幅、直流等波形,而国内则对频率在5*10
HZ-40MHZ,能产生正选-三角等基本波形已经调幅、调频、TTL等的信号发生器需求大。
第二章信号发生器的方案设计
2.1系统实现方案分析与比较
在这个系统中,较为困难的部分是由FPGA实现频率合成器的功能及移相功能的实现。
因为要求产生两路两路信号,频率和相位可调,且都要以数字的形式进行控制和处理,所以在设计中将分别对部分电路提出几种实现方案并进行分析和论证。
2.1.1频率合成器方案
频率合成是指对一个标准信号频率经过一系列算术运算,产生具有相同精度和稳定度的大量离散频率的技术[13]。
频率合成有多种实现方法,其中直接数字频率合成技术与传统频率合成技术相比具有难以比拟的优点,如频率切换速度快、分辨率高、频率和相位易于控制等。
因此得到越来越广泛的应用,成为当今现代电子系统及设备中频率源设计的首选。
实现DDS的三种技术方案:
(1)采用高性能DDS单片电路的解决方案:
随着微电子技术的飞速发展,目前市场上性能优良的DDS产品不断推出,主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanforc等公司单片电路(monolithic)。
Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368,其中Q2368的时钟频率为130MHZ,分辨率为0.03HZ,杂散控制为-76dBc,变频时间为0.1us;美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列:
AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。
AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比,目前取得了极为广泛的应用。
下面仅对比较常用的AD9850芯片作一个简单介绍。
AD9850是AD公司采用先进的DDS技术,1996年推出的高集成度DDS频率合成器,它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。
接上精密时钟源,AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。
此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。
AD9850接口控制简单,可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。
32位频率控制字,在125MHZ时钟下,输出频率分辨率达0.029HZ。
先进的CMOS工艺使AD9850不仅性能指标一流,而且功耗少,在3.3V供电时,功耗仅为155mW。
扩展工业级温度范围为-40~+85摄氏度,其封装是28引脚的SSOP表面封装。
AD9850采用32位相位累加器,截断成14位,输入正弦查询表,查询表输出截断成10位,输入到DAC。
DAC输出两个互补的模拟电流,接到滤波器上。
调节DAC满量程输出电流,需外接一个电阻Rset,其调节关系是Iset=32(1.248V/Rset),满量程电流为10~20mA[14]。
(2)采用低频正弦波DDS单片电路的解决方案:
MicroLinear公司的电源管理事业部推出低频正弦波DDS单片电路ML2035以其价格低廉、使用简单得到广泛应用。
ML2035特性:
(1)输出频率为0~25KHZ,在时钟输入为12.352MHZ时频率分辨率可达到1.5HZ(-0.75~+0.75HZ),输出正弦波信号的峰-峰值为Vcc;
(2)高度集成化,无需或仅需极少的外接元件支持,自带3~12MHZ晶体振荡电路;(3)兼容的3线SPI串行输入口,带双缓冲,能方便地配合单片机使用;(4)增益误差和总谐波失真很低。
ML2035为DIP-8封装,各引脚功能如下:
(1)Vss:
-5V电源;
(2)SCK:
串行时钟输入,在上升沿将串行数据锁入16位移位寄存器;
(3)SID:
串行数据输入,该串行数据为频率控制字,决定6脚输出的频率;
(4)LATI:
串行数据锁存,在下降沿将频率控制字锁入16位数据锁存器;
(5)VCC:
+5V电源;
(6)VOUT:
模拟信号输出;
(7)GND:
公共地,输入、输出均以此点作为参考点;
(8)CLKIN:
时钟输入,可外接时钟或石英晶体。
ML2035生成的频率较低(0~25KHZ),一般应用于一些需产生的频率为工频和音频的场合。
如用2片ML2035产生多频互控信号,并与AMS3104(多频接收芯片)或ML2031/2032(音频检波器)配合,制作通信系统中的收发电路等。
可编程正弦波发生器芯片ML2035设计巧妙,具有可编程、使用方便、价格低廉等优点,应用范围广泛,适合需要低成本、高可靠性的正弦信号的场合。
(3)自行设计的基于FPGA芯片的解决方案:
DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。
可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程,以及有强大EDA软件支持等特性,十分适合实现DDS技术。
Altera是著名的PLD生产厂商,多年来一直占据着行业领先的地位。
Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点,此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等,因此Altera的产品获得了广泛的应用。
Altera的产品有多个系列,按照推出的先后顺序依次为Classic系列、MAX(MultipleArrayMatrix)系列、FLEX(FlexibleLogicElementMatrix)系列、APEX(AdvancedLogicElementMatrix)系列、ACEX系列、Stratix系列以及Cyclone等[15]。
虽然有的专用DDS芯片的功能也比较多,但控制方式却是固定的,因此不一定是我们所需要的。
而利用FPGA则可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能,具有良好的实用性。
就合成信号质量而言,专用DDS芯片由于采用特定的集成工艺,内部数字信号抖动很小,可以输出高质量的模拟信号;利用FPGA也能输出较高质量的信号,虽然达不到专用DDS芯片的水平,但信号精度误差在允许范围之内。
2.1.2移相方案
要实现两路信号具有确定的相位差,采用数字移相技术,这是目前移相技术的潮流。
数字移相技术的核心是先将模拟信号数字化,移相后再还原成模拟信号。
数字移相主要有两种形式:
一种是先将正弦波信号数字化,并形成一张数据表存入ROM芯片中,此后可通过两片D/A转换芯片在单片机的控制下连续地循环输出该数据表,就可获得两路正弦波信号,当两片D/A转换芯片所获得的数据序列不同时,则转换所得到的两路正弦波信号就存在着相位差。
相位差的值与数据表中数据的总个数及数据地址的偏移量有关。
这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。
另一种是先将参考信号整形为方波信号,并以此信号为基准,延时产生另一个同频的方波信号,再通过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。
以延时的长短来决定两信号间的相位值。
这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。
综合各方面考虑本设计采用前一种方式,具体调整方法如下:
可预置计数器的初值不同,从ROM中读出周期信号函数采样信号时的起始地址就不同,对应的信号相位也就不同。
故只要在初始时刻,通过对计数器预置不同的初值即可形成两路信号间不同的相位差,从而达到调节信号间相位的目的。
2.1.3存储器方案
(1)波形表存储器
因为本设计是采用FPGA实现DDS的功能,所以使用FPGA作为数据转换的桥梁,将波形数据存储到其内部的RAM中,并由DDS系统产生波形输出。
需存储在RAM中的波形数据是由单片机采集外部数据,对ROM中存储的标准波形进行各种相应的运算而得到。
波形表存储器ROM有三种方法实现。
方法一:
外接ROM用单片机来完成。
可采用并行两片32K的EEPROM存储器AT28C256,共16位位宽,可以实现12位波形表存储,150ns读取速度完全满足20KHZ的工作频率。
实现方案:
将归一化的正弦波存储在32KEEPROM中,波形存储64个点。
然后由单片机根据键盘输入的不同要求,对各点数据乘相应系数并叠加,再将所得到的新数据存储在RAM中,此时便得到了所需要的波形数据表。
方法二:
由逻辑方式在FPGA中实现。
方法三:
利用Altera公司的含于EAB器件中的兆功能模块LPM_ROM,通过VHDL语言编程来实现。
第一种方法容量最大,但速度最慢,且编程比较麻烦;第二种方法速度最快,但容量非常小;第三种方法兼顾了两者的优点,克服了其缺点。
在选用FPGA芯片时,本设计选用的是Altera公司的FLEX10K系列芯片EPF10K10LC84_4,有LPM_ROM模块,因此ROM选用第三种方法。
(2)外存储器
由于本设计选用的单片机为MSC-51系列的8051,它相对于高速的FPGA来说速度太慢,因此对单片机扩展外部数据存储器和波形存储器。
半导体存储器可分为三类:
只读存储器(ROM、PROM、EPROM),随机存储器(SRAM、DRAM),不挥发性读写存储器(EEPROM、NOVRAM)。
本设计要实现编辑功能,故必须选择随机存储器或不挥发性读写存储器。
方案一:
采用SRAM(6264:
8KRAM)和EEPROM(2817:
2KROM),通过总线隔离的办法实现,既能通过CPU改变存储器数据,又能通过相位累加实现读取波形存储器数据的功能。
方案二:
采用特殊存储器双口RAM。
双口RAM有左右两套相同的I/O口,即两套数据总线,分别有两套地址、控制总线,并有一套竞争仲裁电路。
它可通过左右两边的任一组I/O进行异步的存储器读写操作,避免了系统总线隔离[17]。
对比上述两种方案,方案一的硬件电路虽较复杂,但设计简单,成本低,容量大,故采用此方案。
2.1.4存储器寻址方案
方案一:
采用移位寄存器74164对BCD乘法器14527进行设置。
BCD乘法器14527接成加法级联方式,输入频率由晶振提供,级联输出频率为:
(2.1)
式中K1、K2、K3、K4、K5为BCD乘法器置数。
根据置数不同,可以输出不同的频率的计数脉冲,再经计数器计数对存储器寻址,频率控制寻址频率,从而控制输出波形的频率。
此方案硬件接线复杂,频带不易拓宽。
方案二:
运用FPGA构成的相位累加器对EEPROM进行寻址。
由单片机控制步长即可控制寻址频率,而相移也可方便地由单片机控制相位累加器的初始值来设定。
比较两种方案,方案二设计简单,易于单片机控制,故选方案二。
2.2模块结构划分
本次设计所研究的就是对所需要的某种波形输出对应的数字信号,在通过D/A转换器和单片机部分的转换输出一组连续变化的0~5V的电压脉冲值。
在通过显示部分显示其频率,和波形。
在设计时分块来做,按照波形设定,D/A转换,51单片机连接,键盘控制和显示五个模块的设计。
最后通过联调仿真,做出电路板成品。
从而简化人机交互的问题,具体设计模块如图
模块介绍:
1.波形设定:
对任意波形的手动设定
2.D/A转换:
主要选用DAC0832来把数字信号转换为模拟信号,在送入单片机进行处理。
3.单片机部分:
最小系统
4.键盘:
用按键来控制输出波形的种类和数值的输入
5.显示部分:
采用LCD显示波形的频率
系统要求是便携式低功耗的,所以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统
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