在信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)的用分立元件或通用數(shù)字電路元件設(shè)計(jì)電子線路的方法設(shè)計(jì)周期長,花費(fèi)大,可移植性差。本設(shè)計(jì)是用直接數(shù)字頻率合成器(DDS),設(shè)計(jì)出兩個(gè)相互正交的信號，該信號發(fā)生器輸出信號的頻率范圍為：0-4MHz，頻率分辨率：0.232Hz ，頻率誤差范圍:-2%～2%，相位差的誤差<4°。 與傳統(tǒng)的頻率合成方法相比，DDS合成信號具有頻率切換時(shí)間短、頻率分辨率高、相位變化連續(xù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。使用單片機(jī)靈活的控制能力與FPGA器件的高性能、高集成度相結(jié)合，可以克服傳統(tǒng)DDS設(shè)計(jì)中的不足，從而設(shè)計(jì)開發(fā)出性能優(yōu)良的DDS系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)，直接數(shù)字頻率合成，可編程邏輯器件
目 錄 第1章 緒言............................................... .1 1.1 課題背景.......................................................... .1 1.2 課題研究的目的和意義............................................... 1 1.3 國內(nèi)外的研究狀況................................................... 2 1.3.1波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r............................................. 2 1.3.2 國內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較......................................... 3 1.3.3 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀........................................ 4 第2章 信號發(fā)生器的方案設(shè)計(jì)................................. 4 2.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案分析與比較............................................. 4 2.1.1 頻率合成器方案................................................... 4 2.1.2 移相方案......................................................... 6 2.1.3 存儲器方案....................................................... 7 2.2模塊結(jié)構(gòu)劃分....................................................... 8 2.2.1 DDS的基本原理................................................... 9 2.2.2 FPGA實(shí)現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成器................................... 10 2.2.3 移相原理........................................................ 10 第3章 電路設(shè)計(jì)........................................... 14 3.1 FPGA設(shè)計(jì)DDS電路的具體實(shí)現(xiàn)....................................... 14 3.1.1 相位累加器部分.................................................. 14 3.1.2 相位/幅度轉(zhuǎn)換電路............................................... 14 3.1.3 波形表生成...................................................... 15 3.1.4 D/A轉(zhuǎn)換電路.................................................... 15 3.1.5 系統(tǒng)控制電路.................................................... 15 3.2 單片機(jī)與FPGA的接口設(shè)計(jì)........................................... 15 3.3現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）的選擇.................................. 17 3.4 其他電路設(shè)計(jì)...................................................... 18 3.4.1 晶體振蕩電路.................................................... 18 3.4.2 地址計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路............................................ 18 3.4.3 幅度控制電路.................................................... 19 3.4.4 單片機(jī)外擴(kuò)展存儲器電路.......................................... 19 3.4.5 濾波、緩沖輸出電路.............................................. 20 3.4.6 鍵盤和顯示控制電路.............................................. 21 3.4.7 D/A轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì).............................................. 22 3.4.8 DAC0832芯片原理................................................ 24 結(jié)束語.................................................... 28 參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 附錄 1.................................................... 31 附錄2.................................................... 32 附錄3.................................................... 34
第1章 緒言 1.1課題背景 在一些電子設(shè)備的電路板故障檢測儀中，往往需要頻率、幅度都能由計(jì)算機(jī)自動調(diào)節(jié)的信號源。采用諸如MAX038信號發(fā)生器芯片外加電阻及切換開關(guān)等器件雖然也能調(diào)節(jié)頻率和幅度，但這種調(diào)節(jié)是離散的，且電路復(fù)雜，使用不方便。而采用直接數(shù)字合成芯片DDS及外加D/A轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的可控信號源，可產(chǎn)生正弦波、調(diào)頻波、調(diào)幅波及方波等，并且其信號的頻率和幅度可由微機(jī)來精確控制，調(diào)節(jié)非常方便。 另外隨著21世紀(jì)的到來，人類正在跨入信息時(shí)代�，F(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展方向是功能更強(qiáng)，體積更小，速度更快，功耗更低。而大規(guī)模可編程器件CPLD/FPGA在集成度、功能和速度上的優(yōu)勢正好滿足通信系統(tǒng)的這些要求。所以今天無論是民用的移動電話、程控交換機(jī)、集群電臺、廣播發(fā)射機(jī)和調(diào)制解調(diào)器,還是軍用的雷達(dá)設(shè)備、圖形處理儀器、遙控遙測設(shè)備、加密通信機(jī)中,都已廣泛地使用大規(guī)模可編程器件[2]。由于數(shù)字技術(shù)在處理和傳輸信息方面的各種優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字技術(shù)和數(shù)字集成電路的使用已經(jīng)成為構(gòu)成現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要標(biāo)志。 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。因此自集成電路問世以來，集成規(guī)模便以10倍/6年的速度增長。從20世紀(jì)90年代初以來，電子系統(tǒng)日趨數(shù)字化、復(fù)雜化和大規(guī)模集成化。為滿足個(gè)人電腦、無繩電話和高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的發(fā)展需求，電子廠商們越加迫切地追求電子產(chǎn)品的高功能、優(yōu)品質(zhì)、低成本、微功耗和微小封裝尺寸。為達(dá)到此目標(biāo)，必須采用少量的IC器件使面積盡可能小。 1.2 課題研究的目的和意義 正弦信號發(fā)生器作為電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子儀器，廣泛應(yīng)用于航空航天測控、通信系統(tǒng)、電子對抗、電子測量、科研等各個(gè)領(lǐng)域中。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，對其性能的要求也越來越高，如要求頻率穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)換速度快，具有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等功能，另外還經(jīng)常需要兩路正弦信號不僅具有相同的頻率，同時(shí)要有確定的相位差[4]。 隨著數(shù)字信號處理和集成電路技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成（DDS）的應(yīng)用也越來越廣泛。DDS具有相位和頻率分辨率高、穩(wěn)定度好、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、輸出相位連續(xù)、可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字與模擬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，而可編程門陣列（FPGA）具有集成度高、通用性好、設(shè)計(jì)靈活、編程方便、可以實(shí)現(xiàn)芯片的動態(tài)重構(gòu)等特點(diǎn)，因此可以快速地完成復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。由于模擬調(diào)相方法有生產(chǎn)性差、調(diào)試不方便、調(diào)制度控制不精確等缺點(diǎn)，因此采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)各種模擬調(diào)制也越來越普遍[5]�，F(xiàn)在許多DDS芯片都直接提供了實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字調(diào)制的功能，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，而要實(shí)現(xiàn)模擬線性調(diào)制具有一定的難度。因此本設(shè)計(jì)介紹了一種由單片機(jī)控制，并采用FPGA實(shí)現(xiàn)DDS功能，產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的正弦波信號的方法。 單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)各種控制策略和算法的載體。波形發(fā)生器也可運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，通過巧妙的軟件設(shè)計(jì)和簡易的硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波相位、頻率和幅值可調(diào)的信號。信號的頻率、相位可通過鍵盤輸入并顯示。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。 1.3 國內(nèi)外的研究狀況 1.3.1波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r 波形發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，作為實(shí)驗(yàn)用信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用555振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機(jī)。但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點(diǎn)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機(jī)械振動等領(lǐng)域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的RC很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點(diǎn)。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會大大增加。波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。 在 70 年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時(shí)，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時(shí)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。 在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對 DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號為 HP770S的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A任意波形數(shù)字化和 HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實(shí)際上也只能產(chǎn)生8 中波形，而且價(jià)格昂貴。不久以后，Analogic公司推出了型號為 Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生產(chǎn)的型號為9100 的任意波形發(fā)生器等。 而近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）過去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時(shí)可以利用一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個(gè)比較簡單的公式復(fù)合成 v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic ,Visual C 等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計(jì)算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來實(shí)現(xiàn)波形的輸入。 （2）與VXI資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卡以及新近開發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用VXI系統(tǒng)測量產(chǎn)生復(fù)雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā)VXI模塊的周期長，而且需要專門的VXI機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面，VXI模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺式儀器更為方便。 （3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過 現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價(jià)格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。 1.3.2 國內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較 早在 1978 年，由美國 Wavetek 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為 5MHz ，可以形成 256 點(diǎn)(存儲長度)波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為8bit，主要用于振動、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號源，經(jīng)過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強(qiáng)。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 表1.1給出了幾種波形發(fā)生器的性能指標(biāo)，從中可以看出當(dāng)今世界上重要電子儀器生產(chǎn)商在波形發(fā)生器上的研制水平。 表1.1一些波形發(fā)生器的性能指標(biāo) 公司
| | | | | 型號
| | | | | 最高采用頻率
| | | | | 通道數(shù)
| | | | | 垂直分辨率
| | | | | 存儲容量
| | | | | 輸出電壓
| | | | |
1.3.3 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過 GHz 的DDS 芯片，同時(shí)也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2003 年，Agilent的產(chǎn)品 33220A能夠產(chǎn)生 17 種波形，最高頻率可達(dá)到 20M，2005 年的產(chǎn)品N6030A 能夠產(chǎn)生高達(dá) 500MHz 的頻率，采樣的頻率可達(dá) 1.25GHz。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快。 對目前而言，國外（美）研究和使用的信號發(fā)生器大多要求頻率在10 HZ-50MHZ，產(chǎn)生正弦、三角、鋸齒、方波、調(diào)幅、直流等波形，而國內(nèi)則對頻率在5*10 HZ-40MHZ，能產(chǎn)生正選-三角等基本波形已經(jīng)調(diào)幅、調(diào)頻、TTL等的信號發(fā)生器需求大。 第二章 信號發(fā)生器的方案設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案分析與比較 在這個(gè)系統(tǒng)中，較為困難的部分是由FPGA實(shí)現(xiàn)頻率合成器的功能及移相功能的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐螽a(chǎn)生兩路兩路信號，頻率和相位可調(diào)，且都要以數(shù)字的形式進(jìn)行控制和處理，所以在設(shè)計(jì)中將分別對部分電路提出幾種實(shí)現(xiàn)方案并進(jìn)行分析和論證。 2.1.1 頻率合成器方案 頻率合成是指對一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號頻率經(jīng)過一系列算術(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生具有相同精度和穩(wěn)定度的大量離散頻率的技術(shù)[13]。頻率合成有多種實(shí)現(xiàn)方法，其中直接數(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(diǎn)，如頻率切換速度快、分辨率高、頻率和相位易于控制等。因此得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)今現(xiàn)代電子系統(tǒng)及設(shè)備中頻率源設(shè)計(jì)的首選。 實(shí)現(xiàn)DDS的三種技術(shù)方案 ： （1）采用高性能DDS單片電路的解決方案： 隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，目前市場上性能優(yōu)良的DDS產(chǎn)品不斷推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanforc等公司單片電路（monolithic）。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的時(shí)鐘頻率為130MHZ，分辨率為0.03HZ，雜散控制為-76dBc，變頻時(shí)間為0.1us；美國AD公司也相繼推出了他們的DDS系列：AD9850、AD9851、可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調(diào)制器AD9853、數(shù)字上變頻器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列產(chǎn)品以其較高的性能價(jià)格比，目前取得了極為廣泛的應(yīng)用。下面僅對比較常用的AD9850芯片作一個(gè)簡單介紹。 AD9850是AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，1996年推出的高集成度DDS頻率合成器，它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。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。此正弦波可直接用作頻率信號源或轉(zhuǎn)換成方波用作時(shí)鐘輸出。AD9850接口控制簡單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。32位頻率控制字，在125MHZ時(shí)鐘下，輸出頻率分辨率達(dá)0.029HZ。先進(jìn)的CMOS工藝使AD9850不僅性能指標(biāo)一流，而且功耗少，在3.3V供電時(shí)，功耗僅為155mW。擴(kuò)展工業(yè)級溫度范圍為-40～+85攝氏度，其封裝是28引腳的SSOP表面封裝。 AD9850采用32位相位累加器，截?cái)喑?4位，輸入正弦查詢表，查詢表輸出截?cái)喑?0位，輸入到DAC。DAC輸出兩個(gè)互補(bǔ)的模擬電流，接到濾波器上。調(diào)節(jié)DAC滿量程輸出電流，需外接一個(gè)電阻Rset，其調(diào)節(jié)關(guān)系是Iset=32(1.248V/Rset)，滿量程電流為10～20mA[14]。 （2）采用低頻正弦波DDS單片電路的解決方案： Micro Linear公司的電源管理事業(yè)部推出低頻正弦波DDS單片電路ML2035以其價(jià)格低廉、使用簡單得到廣泛應(yīng)用。ML2035特性：(1)輸出頻率為0～25KHZ，在時(shí)鐘輸入為12.352MHZ時(shí)頻率分辨率可達(dá)到1.5HZ(-0.75～+0.75HZ)，輸出正弦波信號的峰－峰值為Vcc；(2)高度集成化，無需或僅需極少的外接元件支持，自帶3～12MHZ晶體振蕩電路；(3)兼容的3線SPI串行輸入口，帶雙緩沖，能方便地配合單片機(jī)使用；(4)增益誤差和總諧波失真很低。 ML2035為DIP-8封裝，各引腳功能如下： (1)Vss：-5V電源； (2)SCK：串行時(shí)鐘輸入，在上升沿將串行數(shù)據(jù)鎖入16位移位寄存器； (3)SID：串行數(shù)據(jù)輸入，該串行數(shù)據(jù)為頻率控制字，決定6腳輸出的頻率； (4)LATI：串行數(shù)據(jù)鎖存，在下降沿將頻率控制字鎖入16位數(shù)據(jù)鎖存器； (5)VCC：+5V電源； (6)VOUT：模擬信號輸出； (7)GND：公共地，輸入、輸出均以此點(diǎn)作為參考點(diǎn)； (8)CLK IN：時(shí)鐘輸入，可外接時(shí)鐘或石英晶體。 ML2035生成的頻率較低(0～25KHZ)，一般應(yīng)用于一些需產(chǎn)生的頻率為工頻和音頻的場合。如用2片ML2035產(chǎn)生多頻互控信號，并與AMS3104(多頻接收芯片)或ML2031/2032(音頻檢波器)配合，制作通信系統(tǒng)中的收發(fā)電路等。 可編程正弦波發(fā)生器芯片ML2035設(shè)計(jì)巧妙，具有可編程、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛，適合需要低成本、高可靠性的正弦信號的場合。 （3）自行設(shè)計(jì)的基于FPGA芯片的解決方案： DDS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件�？删幊踢壿嬈骷云渌俣雀摺⒁�(guī)模大、可編程，以及有強(qiáng)大EDA軟件支持等特性，十分適合實(shí)現(xiàn)DDS技術(shù)。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。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，此外它還提供了功能全面的開發(fā)工具和豐富的IP核、宏功能庫等，因此Altera的產(chǎn)品獲得了廣泛的應(yīng)用。Altera的產(chǎn)品有多個(gè)系列，按照推出的先后順序依次為Classic系列、MAX(Multiple Array Matrix)系列、FLEX(Flexible Logic Element Matrix)系列、APEX(Advanced Logic Element Matrix)系列、ACEX系列、Stratix系列以及Cyclone等[15]。 雖然有的專用DDS芯片的功能也比較多，但控制方式卻是固定的，因此不一定是我們所需要的。而利用FPGA則可以根據(jù)需要方便地實(shí)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(shí)用性。就合成信號質(zhì)量而言，專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝，內(nèi)部數(shù)字信號抖動很小，可以輸出高質(zhì)量的模擬信號；利用FPGA也能輸出較高質(zhì)量的信號，雖然達(dá)不到專用DDS芯片的水平，但信號精度誤差在允許范圍之內(nèi)。 2.1.2 移相方案 要實(shí)現(xiàn)兩路信號具有確定的相位差，采用數(shù)字移相技術(shù)，這是目前移相技術(shù)的潮流。數(shù)字移相技術(shù)的核心是先將模擬信號數(shù)字化，移相后再還原成模擬信號。 數(shù)字移相主要有兩種形式：一種是先將正弦波信號數(shù)字化，并形成一張數(shù)據(jù)表存入ROM芯片中，此后可通過兩片D／A轉(zhuǎn)換芯片在單片機(jī)的控制下連續(xù)地循環(huán)輸出該數(shù)據(jù)表，就可獲得兩路正弦波信號，當(dāng)兩片D／A轉(zhuǎn)換芯片所獲得的數(shù)據(jù)序列不同時(shí)，則轉(zhuǎn)換所得到的兩路正弦波信號就存在著相位差。相位差的值與數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)及數(shù)據(jù)地址的偏移量有關(guān)。這種處理方式的實(shí)質(zhì)是將數(shù)據(jù)地址的偏移量映射為信號間的相位值。另一種是先將參考信號整形為方波信號，并以此信號為基準(zhǔn)，延時(shí)產(chǎn)生另一個(gè)同頻的方波信號，再通過波形變換電路將方波信號還原成正弦波信號。以延時(shí)的長短來決定兩信號間的相位值。這種處理方式的實(shí)質(zhì)是將延時(shí)的時(shí)間映射為信號間的相位值。 綜合各方面考慮本設(shè)計(jì)采用前一種方式，具體調(diào)整方法如下： 可預(yù)置計(jì)數(shù)器的初值不同，從ROM中讀出周期信號函數(shù)采樣信號時(shí)的起始地址就不同，對應(yīng)的信號相位也就不同。故只要在初始時(shí)刻，通過對計(jì)數(shù)器預(yù)置不同的初值即可形成兩路信號間不同的相位差，從而達(dá)到調(diào)節(jié)信號間相位的目的。 2.1.3 存儲器方案 （1）波形表存儲器 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是采用FPGA實(shí)現(xiàn)DDS的功能，所以使用FPGA作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的橋梁，將波形數(shù)據(jù)存儲到其內(nèi)部的RAM中，并由DDS系統(tǒng)產(chǎn)生波形輸出。需存儲在RAM中的波形數(shù)據(jù)是由單片機(jī)采集外部數(shù)據(jù),對ROM中存儲的標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行各種相應(yīng)的運(yùn)算而得到。波形表存儲器ROM有三種方法實(shí)現(xiàn)。 方法一：外接ROM用單片機(jī)來完成�？刹捎貌⑿袃善�32K的EEPROM存儲器AT28C256，共16位位寬，可以實(shí)現(xiàn)12位波形表存儲，150ns讀取速度完全滿足20KHZ的工作頻率。實(shí)現(xiàn)方案：將歸一化的正弦波存儲在32KEEPROM中，波形存儲64個(gè)點(diǎn)。然后由單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入的不同要求，對各點(diǎn)數(shù)據(jù)乘相應(yīng)系數(shù)并疊加，再將所得到的新數(shù)據(jù)存儲在RAM中，此時(shí)便得到了所需要的波形數(shù)據(jù)表。 方法二：由邏輯方式在FPGA中實(shí)現(xiàn)。 方法三：利用Altera公司的含于EAB器件中的兆功能模塊LPM_ROM，通過VHDL語言編程來實(shí)現(xiàn)。 第一種方法容量最大，但速度最慢，且編程比較麻煩；第二種方法速度最快，但容量非常�。坏谌N方法兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)。在選用FPGA芯片時(shí)，本設(shè)計(jì)選用的是Altera公司的FLEX10K系列芯片EPF10K10LC84_4, 有LPM_ROM模塊，因此ROM選用第三種方法。 （2）外存儲器 由于本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)為MSC-51系列的8051，它相對于高速的FPGA來說速度太慢，因此對單片機(jī)擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器和波形存儲器。 半導(dǎo)體存儲器可分為三類:只讀存儲器(ROM、PROM、EPROM)，隨機(jī)存儲器（SRAM、DRAM），不揮發(fā)性讀寫存儲器（EEPROM、NOVRAM）。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)編輯功能，故必須選擇隨機(jī)存儲器或不揮發(fā)性讀寫存儲器。 方案一：采用SRAM（6264：8KRAM）和EEPROM（2817：2KROM），通過總線隔離的辦法實(shí)現(xiàn)，既能通過CPU改變存儲器數(shù)據(jù)，又能通過相位累加實(shí)現(xiàn)讀取波形存儲器數(shù)據(jù)的功能。 方案二：采用特殊存儲器雙口RAM。雙口RAM有左右兩套相同的I/O口，即兩套數(shù)據(jù)總線，分別有兩套地址、控制總線，并有一套競爭仲裁電路。它可通過左右兩邊的任一組I/O進(jìn)行異步的存儲器讀寫操作，避免了系統(tǒng)總線隔離[17]。 對比上述兩種方案，方案一的硬件電路雖較復(fù)雜，但設(shè)計(jì)簡單，成本低，容量大，故采用此方案。 2.1.4 存儲器尋址方案 方案一：采用移位寄存器74164對BCD乘法器14527進(jìn)行設(shè)置。BCD乘法器14527接成加法級聯(lián)方式，輸入頻率由晶振提供，級聯(lián)輸出頻率為： （2.1） 式中K1、K2、K3、K4、K5為BCD乘法器置數(shù)。根據(jù)置數(shù)不同，可以輸出不同的頻率的計(jì)數(shù)脈沖，再經(jīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)對存儲器尋址，頻率控制尋址頻率，從而控制輸出波形的頻率。此方案硬件接線復(fù)雜，頻帶不易拓寬。 方案二：運(yùn)用FPGA構(gòu)成的相位累加器對EEPROM進(jìn)行尋址。由單片機(jī)控制步長即可控制尋址頻率，而相移也可方便地由單片機(jī)控制相位累加器的初始值來設(shè)定。 比較兩種方案，方案二設(shè)計(jì)簡單，易于單片機(jī)控制，故選方案二。 2.2模塊結(jié)構(gòu)劃分 本次設(shè)計(jì)所研究的就是對所需要的某種波形輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，在通過D/A轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)部分的轉(zhuǎn)換輸出一組連續(xù)變化的0~5V的電壓脈沖值。在通過顯示部分顯示其頻率，和波形。在設(shè)計(jì)時(shí)分塊來做，按照波形設(shè)定，D/A轉(zhuǎn)換，51單片機(jī)連接，鍵盤控制和顯示五個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。最后通過聯(lián)調(diào)仿真，做出電路板成品。從而簡化人機(jī)交互的問題，具體設(shè)計(jì)模塊如圖 模塊介紹： 1.波形設(shè)定：對任意波形的手動設(shè)定 2.D/A轉(zhuǎn)換：主要選用DAC0832來把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，在送入單片機(jī)進(jìn)行處理。 3.單片機(jī)部分：最小系統(tǒng) 4.鍵盤：用按鍵來控制輸出波形的種類和數(shù)值的輸入 5.顯示部分：采用LCD顯示波形的頻率 系統(tǒng)要求是便攜式低功耗的，所以在硬件電路建立前首先粗略計(jì)算一下整個(gè)系統(tǒng)所需的功耗。考慮單片機(jī)部分（有最小系統(tǒng)，D/A轉(zhuǎn)換，鍵盤接口，擴(kuò)展部分顯示等部分）的功耗大小，機(jī)器體積小，價(jià)格便宜，耗電少，頻率適中，便于攜帶。 2.2.1 DDS的基本原理 直接數(shù)字頻率合成器（DDFS）的基本原理：DDS是利用采樣定理，根據(jù)相位間隔對正弦信號進(jìn)行取樣、量化、編碼，然后儲存在EPROM中構(gòu)成一個(gè)正弦查詢表，通過查表法產(chǎn)生波形[10]。它是由參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查詢表和D／A轉(zhuǎn)換器組成，如圖2.2所示。 圖2.2 直接數(shù)字頻率合成器原理框圖 相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成，其原理框圖如圖2.3所示。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖Fc，N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)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Y送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時(shí)鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)K相加；另一方面以相加后的結(jié)果形成正弦查詢表的地址,取出表中與該相位對應(yīng)的單元中的幅度量化正弦函數(shù)值，作為取樣地址值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路（即圖2.1中的波形存儲器）。這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到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。 圖2.3 相位累加器原理框圖 由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位。當(dāng)相位累加器加滿量時(shí)就會產(chǎn)生一次溢出，溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。 相位累加器的最大計(jì)數(shù)長度與正弦查詢表中所存儲的相位分隔點(diǎn)數(shù)相同，在取樣頻率(由參考時(shí)鐘頻率決定)不變的情況下，由于相位累加器的相位增量不同，將導(dǎo)致一周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)不同，輸出信號的頻率也相應(yīng)變化。如果設(shè)定累加器的初始相位，則可以對輸出信號進(jìn)行相位控制。由采樣原理可知，如果使用兩個(gè)相同的頻率合成器，并使其參考時(shí)鐘相同，同時(shí)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(shí)現(xiàn)輸出兩路具有一定相位差的同頻信號。 2.2.2 FPGA實(shí)現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成器 本設(shè)計(jì)基于DDS的基本原理，利用Altera公司的FPGA芯片F(xiàn)LEX10系列器件設(shè)法將波形采樣點(diǎn)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(dá)到預(yù)期的目的，具有較高的性價(jià)比。其基本環(huán)節(jié)由計(jì)數(shù)器（Counter）、只讀存儲器（EPROM）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）和濾波器等組成(同DDS原理)[11]。具體方案如下:累加器由加法器和D觸發(fā)器級聯(lián)組成。在時(shí)鐘脈沖fc的控制下，對輸入頻率控制字K進(jìn)行累加，累加滿量時(shí)產(chǎn)生溢出。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(gè)相位是周期性的，在0～2 范圍內(nèi)起變化。相位累加器位數(shù)為N，最大輸出為2 -1，對應(yīng)于2 的相位，累加一次就輸出一個(gè)相應(yīng)的相位碼，通過查表得到正弦信號的幅度，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及低通濾波器濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。整個(gè)DDS電路的電路結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。 圖2.4 FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS原理框圖 2.2.3 移相原理 所謂移相是指兩路同頻的信號，以其中的一路為參考，另一路相對于該參考作超前或滯后的移動，即稱為相位的移動。兩路信號的相位不同，便存在相位差，簡稱相差。若我們將一個(gè)信號周期看作是360°，則相差的范圍就在0°～360°之間。例如在圖2.5中，以A信號為參考，B信號相對于A信號作滯后移相φ°，則稱A超前Bφ°，或稱B滯后Aφ°。 圖2.5 移相示意圖 若輸出信號A和B的相位差可調(diào)，須保證兩路信號同步，故應(yīng)滿足以下條件： (1)輸入到兩個(gè)頻率合成器芯片的參考時(shí)鐘之間的相位偏移要足夠小。這個(gè)相移會導(dǎo)致輸出信號之間產(chǎn)生與之成比例的相移。因此在布線時(shí)必須精心設(shè)計(jì)，使從FPGA輸出參考時(shí)鐘的引腳到兩個(gè)頻率合成器芯片的參考時(shí)鐘輸入引腳的引線距離相等，以保證系統(tǒng)時(shí)鐘同步。另外，參考時(shí)鐘上升／下降沿的抖動應(yīng)盡可能小，并且時(shí)間應(yīng)盡可能短，因?yàn)椴煌l率合成器芯片輸入電路的觸發(fā)電壓不同，因此參考時(shí)鐘的上升／下降沿時(shí)間太長會增加輸出信號的相位誤差。 (2)頻率控制字送到頻率合成器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)后，還必須通過一個(gè)更新時(shí)鐘才能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)送到相位累加器，成為有效數(shù)據(jù)后進(jìn)行輸出。頻率合成器有兩種更新時(shí)鐘產(chǎn)生方式，一種由FPGA內(nèi)部自動產(chǎn)生，另一種由外部提供。要使兩路輸出信號同步，必須使用外部I／O更新時(shí)鐘，同時(shí)必須使參考時(shí)鐘信號(REFCLK)與外部I／O更新時(shí)鐘(UPDATE CLK)上升沿之間滿足圖2.6所示的時(shí)序關(guān)系。 圖2.6 參考時(shí)鐘與更新時(shí)鐘之間的時(shí)序關(guān)系圖 更新時(shí)鐘的上升沿必須在參考時(shí)鐘的下降沿0.3ns之后與下一個(gè)下降沿1.5ns之前之間(圖2.6中深色區(qū)間為有效區(qū)域)產(chǎn)生，這樣可以使兩個(gè)頻率合成器工作在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘(參考時(shí)鐘乘以一定倍數(shù))下，且它們的系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖數(shù)相差不能超過1個(gè)脈沖。 (3)在第一次傳送數(shù)據(jù)之前必須先使頻率合成器復(fù)位，以保證其輸出的相位是可知的。因?yàn)镈DS芯片的相位輸出是連續(xù)的，所示復(fù)位信號可使兩個(gè)頻率合成器的相位累加器復(fù)位到COS(0)狀態(tài)。新的數(shù)據(jù)送到相位累加器時(shí)，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。
第三章 電路設(shè)計(jì) 3.1 基于FPGA設(shè)計(jì)DDS電路的設(shè)計(jì) FPGA設(shè)計(jì)的DDS系統(tǒng)主要由相位累加器及相位/幅度轉(zhuǎn)換電路組成。根據(jù)設(shè)計(jì)的具體要求，還設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)控制電路，這一電路可靈活設(shè)計(jì)，以突出FPGA的優(yōu)點(diǎn)所在。另外采用VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)整個(gè)DDS電路，不僅利于設(shè)計(jì)文檔的管理，而且方便設(shè)計(jì)的修改和擴(kuò)充，還可以在不同F(xiàn)PGA器件之間實(shí)現(xiàn)移植。 3.1.1 FPGA器件的選擇 FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array)的英語縮寫，它是在陣列的各個(gè)節(jié)點(diǎn)放上由門 、觸發(fā)器等做成的邏輯單元，并在各個(gè)單元之間預(yù)先制作了許多連線。在FPGA中常用的編程工藝有反熔絲和SRAM兩類。綜合考慮設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試的全過程，在此主要考慮選用Altera公司的FLEX10K系列的FPGA芯片。 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0.5μmCMOS SRAM工藝制造，器件規(guī)模從10000門到250000門，系統(tǒng)時(shí)鐘可以達(dá)到204MHZ，兼容66MHZ，64 bit PIC，采用獨(dú)特的嵌入式陣列和邏輯陣列的邏輯實(shí)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。 同時(shí)，可為用戶提供多達(dá)3K 8位的片內(nèi)RAM，其雙口RAM為獨(dú)立的讀寫操作提供了獨(dú)立的讀、寫端口，且每個(gè)I/O口都有寄存器；PLL時(shí)鐘管理和時(shí)鐘增強(qiáng)電路提高了系統(tǒng)的性能，并且可以提供時(shí)鐘倍頻；專用進(jìn)位鏈路，可實(shí)現(xiàn)快速加法器和計(jì)數(shù)器功能；專用級聯(lián)鏈路，支持系統(tǒng)集成；支持多時(shí)鐘系統(tǒng)的低時(shí)滯要求；具有JTAG邊界掃描測試內(nèi)速電路；Altera的I/O多重電壓3.3V或3.0V工作模式和FineLine BGA封裝極大的提高了FLEX10K系列的靈活性和適應(yīng)性。并由Altera公司的MAX plusⅡ開發(fā)系列提供軟件支持。 本設(shè)計(jì)中采用Altera公司的FLEX10K系列芯片EPF10K10LC84-4，作為實(shí)現(xiàn)DDS的FPGA芯片。EPF10K10LC84-4的主要參數(shù)如表3.1： 表3.1EPF10K10LC84-4的主要參數(shù) 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(shí)鐘10MHZ的要求，其優(yōu)良的特性完全可以實(shí)現(xiàn)DDS芯片的功能。 3.1.2 相位累加器電路設(shè)計(jì) 在用FPGA設(shè)計(jì)DDS電路的時(shí)候，相位累加器是決定DDS電路性能的一個(gè)關(guān)鍵部分。小的累加器可以利用FLEX器件的進(jìn)位鏈得到快速、高效的電路結(jié)構(gòu)。然而由于進(jìn)位鏈必須位于臨近的LAB（邏輯陣列塊）和LE（邏輯單元）內(nèi)，因此長的進(jìn)位鏈勢必會減少其它邏輯使用的布線資源，同時(shí)過長的進(jìn)位鏈也會制約整個(gè)系統(tǒng)速度的提高。 另一種提高速度的辦法是采用流水線技術(shù)，即把在一個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)鐘周期來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率。但是流水線技術(shù)比較適合開環(huán)結(jié)構(gòu)的電路，要用在累加器這樣的閉環(huán)反饋的電路中必須謹(jǐn)慎考慮，以保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確無誤。 綜合考慮后，相位累加器采用流水線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，這樣能保證較高的資源利用率，又能提高系統(tǒng)的性能和速度。設(shè)計(jì)中整個(gè)系統(tǒng)只加入了一級流水線來提高速度。為了進(jìn)一步提高速度，在設(shè)計(jì)相位累加器模塊和加法器模塊時(shí)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(shí)現(xiàn)高達(dá)32位的相位累加器，但當(dāng)工作頻率較高時(shí)，它們較大的延時(shí)不能滿足速度要求，故不可取。因此，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)分別采用了4個(gè)和8個(gè)4位累加器，以流水線的方式實(shí)現(xiàn)16位累加器和32位加法器。采用流水線技術(shù)可以大大提高系統(tǒng)的工作速度。 3.1.3 相位/幅度轉(zhuǎn)換電路 相位/幅度轉(zhuǎn)換電路是DDS電路中的另一個(gè)關(guān)鍵部分。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(yùn)算，ROM就能輸出所需波形的量化數(shù)據(jù)。 在FPGA（針對Altera公司的器件）中，ROM一般由EAB實(shí)現(xiàn)，且ROM表的尺寸隨地址位數(shù)或數(shù)據(jù)位數(shù)的增加成指數(shù)遞增關(guān)系，因此在滿足信號性能的前提下，如何有效利用FPGA的有限資源，成為相位/幅度轉(zhuǎn)換電路中最關(guān)鍵的一點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)可充分利用信號周期內(nèi)的對稱性和算術(shù)關(guān)系來減少EAB的開銷。 相位/幅度轉(zhuǎn)換電路中的主要問題在于ROM的大小。由于本設(shè)計(jì)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(diǎn)（π/2，0）成偶對稱，進(jìn)一步將ROM表減至最初的1/4，因此通過一個(gè)正弦碼表的前1/4周期就可以變換得到的正弦的整個(gè)周期碼表，這樣就節(jié)省了將近3/4的資源[19]。 3.1.4 波形表生成 由于DDS中波形表存儲器是采用FPGA芯片內(nèi)部的LPM_ROM實(shí)現(xiàn),故波形表可以VHDL編程的.mif文件形式存入LPM_ROM中,具體實(shí)現(xiàn)見附錄2。 3.1.5 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) DAC0832是CMOS工藝制造的8位D/A轉(zhuǎn)換器，屬于8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us，片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器。DAC0832與單片機(jī)接成數(shù)據(jù)直接寫入方式，當(dāng)單片機(jī)把一個(gè)數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器時(shí)，DAC0832的輸出模擬電壓信號隨之對應(yīng)變化。利用D/A轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波、三角波、正弦波、鋸齒波等以及它們組合產(chǎn)生的復(fù)合波形和不規(guī)則波形。 1.DAC0832主要性能： ◆輸入的數(shù)字量為8位； ◆采用CMOS工藝，所有引腳的邏輯電平與TTL兼容； ◆數(shù)據(jù)輸入可以采用雙緩沖、單緩沖和直通方式； ◆轉(zhuǎn)換時(shí)間：1us； ◆精度：1LSB； ◆分辨率：8位； ◆單一電源：5—15V，功耗20mw； ◆參考電壓：-10—+10V； DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料:芯片內(nèi)有兩級輸入寄存器，使DAC0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應(yīng)的模擬信號，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這個(gè)供功能。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接。 該片邏輯輸入滿足TTL電壓電平范圍，可直接與TTL電路或微機(jī)電路相接，下面是芯片電路原理圖3-20 圖3-9 DAC0832電路原理圖 如圖3-9所示，待轉(zhuǎn)換的8位數(shù)字量由芯片的8位數(shù)據(jù)輸入線D0～D7輸入，經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換后，通過2個(gè)電流輸出端IOUT1和IOUT2輸出，IOUT1是邏輯電平為"1"的各位輸出電流之和，IOUT2是邏輯電平為"0"的各位輸出電流之和。另外，ILE、 、 、 和 是控制轉(zhuǎn)換的控制信號。
DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換電路組成。輸入寄存器和DAC寄存器作為雙緩沖，因?yàn)樵贑PU數(shù)據(jù)線直接接到DAC0832的輸入端時(shí)，數(shù)據(jù)在輸入端保持的時(shí)間僅僅是在CPU執(zhí)行輸出指令的瞬間內(nèi)，輸入寄存器可用于保存此瞬間出現(xiàn)的數(shù)據(jù)。有時(shí)，微機(jī)控制系統(tǒng)要求同時(shí)輸出多個(gè)模擬量參數(shù)，此時(shí)對應(yīng)于每一種參數(shù)需要一片DAC0832，每片DAC0832的轉(zhuǎn)換時(shí)間相同，就可采用DAC寄存器對CPU分時(shí)輸入到輸入寄存器的各參數(shù)在同一時(shí)刻開始鎖存，進(jìn)而同時(shí)產(chǎn)生各模擬信號。
控制信號ILE、 、 用來控制輸入寄存器。當(dāng)ILE為高電平， 為低電平， 為負(fù)脈沖時(shí)，在LE產(chǎn)生正脈沖；其中LE為高電平時(shí)，輸入寄存器的狀態(tài)隨數(shù)據(jù)輸入線狀態(tài)變化，LE的負(fù)跳變將輸入數(shù)據(jù)線上的信息存入輸入寄存器。
控制信號 和 用來控制8位A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng) 為低電平， 輸入負(fù)脈沖時(shí)，則在LE產(chǎn)生正脈沖；其中LE為高電平時(shí)，DAC寄存器的輸入與輸出的狀態(tài)一致，LE負(fù)跳變，輸入寄存器內(nèi)容存入DAC寄存器。 DAC0832的數(shù)據(jù)輸出方式在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,通常使用的是電壓信號,而DAC0832輸出的是電流信號，這就需要由運(yùn)算放大器組成的電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。其中有輸出電壓各自極性固定的單位性輸出和在隨動系統(tǒng)中輸出電壓有正負(fù)極性的雙極性輸出兩種輸出方式。3. DAC 0832同CPU的連接 微處理器與DAC0832之間可以不加鎖存器，而是利用DAC0832內(nèi)部鎖存器，將CPU 通過數(shù)據(jù)總線直接向DAC0832輸出的停留時(shí)間很短的數(shù)據(jù)保存，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束。
DAC0832同CPU的接口如圖3-10所示.DAC0832作為微處理器的一個(gè)端口，用地址92H的選通作為 和 的控制信號，微處理器的寫信號直接來控制 和 。 圖3-10 DAC0832和CPU連接電路 本系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換電路圖3-11
圖3-11 D/A轉(zhuǎn)換電路圖 3.1.6 DAC0832芯片原理 管腳功能介紹（如圖3-12所示） 圖3-12 DAC0832管腳圖 (1) DI7～DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。 (2) IOUT1：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí)，輸出電流為0。 (3) IOUT2：模擬電流輸出端2， IOUT2與IOUT1的和為一個(gè)常數(shù)，即IOUT1＋I(xiàn)OUT2＝常數(shù)。 (4) RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以 RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。 (5) VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為(+10～-10)V。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 (6) Vcc：芯片供電電壓，范圍為(+5~ 15)V。 (7) AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。 (8) DGND：數(shù)字量地。 當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時(shí)DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平“0”時(shí)，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。 一般情況下為了簡化接口電路，可以把和直接接地，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個(gè)寄存器都分別接成受控方式 制作低頻信號發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。 單緩沖方式具有適用于只有一路模擬信號輸出或幾路模擬信號非同步輸出的情形的優(yōu)點(diǎn)，但是電路線路連接比較簡單。而雙緩沖方式適用于在需要同時(shí)輸出幾路模擬信號的場合，每一路模擬量輸出需一片DAC0832芯片，構(gòu)成多個(gè)DAC0832同步輸出電路，程序簡單化，但是電路線路連接比較復(fù)雜。根據(jù)以上分析，我們的課題選擇了單緩沖方式使用方便，程序簡單，易操作。 DAC0832主要是用于波形的數(shù)據(jù)的傳送，是本題目電路中的主要芯片 一、D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)： 1.分辨率：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分0～2n-1共2n個(gè)輸入數(shù)字量。表示方法： （1）用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如8位。 （2) 用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。DAC0808的分辨率為1/256。 2．精度：DAC實(shí)際輸出電壓與理想的輸出電壓的偏差。 DAC0808的最大滿刻度偏差為+1LSB 。 3．線性度：DAC實(shí)際傳輸特性曲線與理想的傳輸特性曲線的偏差。 DAC0808的最大誤差為+0.19% 。 4．溫度靈敏度：在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。 5．轉(zhuǎn)換速度：用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間——建立時(shí)間Tset來衡量。建立時(shí)間：輸入信號從開始變化到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差1/2LSB范圍以內(nèi)的時(shí)間。輸入信號由全0變?yōu)槿?所需時(shí)間最長。當(dāng)外接運(yùn)放時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間還應(yīng)加上運(yùn)放的上升（下降）時(shí)間。 （3—2） 式中 為轉(zhuǎn)換時(shí)間 ， 為建立時(shí)間， 輸出最大電壓值， 為運(yùn)放輸出轉(zhuǎn)換速率。 二、D/A轉(zhuǎn)換器的分類 D/A轉(zhuǎn)換器的品種繁多、性能各異。按輸入數(shù)字量的位數(shù)分：8位、10位、12位和16位等；按輸入的數(shù)碼分：二進(jìn)制方式和BCD碼方式；按傳送數(shù)字量的方式分：并行方式和串行方式；按輸出形式分：電流輸出型和電壓輸出型，電壓輸出型又有單極性和雙極性；按與單片機(jī)的接口分：帶輸入鎖存的和不帶輸入鎖存的。 三、雙極性輸出實(shí)現(xiàn) 圖3-13 D/A轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路 圖3-13中，運(yùn)算放大器A2的作用是把運(yùn)算放大器A1的單向輸出電壓轉(zhuǎn)換成雙向輸出電壓。其原理是將A2的輸入端Σ通過電阻R1與參考電壓VREF相連，VREF經(jīng)R1向A2提供一個(gè)偏流I1，其電流方向與I2相反，因此運(yùn)算放大器A2的輸入電流為I1、I2之代數(shù)和。則D/A轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓為： （11） （12） 為DAC0832提供的參考電壓， 輸入的波形數(shù)據(jù)。由上兩式可得： （13） 取 ，當(dāng) 時(shí)， ； 時(shí)， ； 時(shí)， 。 由上述分析可看出， 取不同數(shù)據(jù)時(shí)（0～255），可得對稱的雙極性波形輸出。再取 ，則式（11）可表示為： 由上式可知，輸出信號的幅度受 的改變而改變 3.1.7 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制電路主要是根據(jù)是否需要相位調(diào)制及頻率調(diào)制，系統(tǒng)時(shí)鐘是否需要分頻得到所需的基準(zhǔn)時(shí)鐘，頻率碼的輸入方式是串行、并行還是微機(jī)接口方式，如何控制輸出等具體要求而設(shè)計(jì)的,其功能實(shí)現(xiàn)見圖2.4。 3.2 單片機(jī)與FPGA的接口設(shè)計(jì) 在功能上,單片機(jī)與FPGA有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。單片機(jī)具有性價(jià)比高、功能靈活、易于人機(jī)對話、良好的數(shù)據(jù)處理能力等特點(diǎn)；FPGA則具有高速、高可靠性以及開發(fā)便捷、規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)。用這兩類器件相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)在許多高性能儀器儀表和電子產(chǎn)品中仍將被廣泛應(yīng)用。 MCS51單片機(jī)(8051)系統(tǒng)是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，其引腳如圖3.1所示，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器，其內(nèi)部資源分配和性能如下：8位CPU、尋址能力達(dá)2×64K；4KB的ROM和128字節(jié)RAM；4個(gè)8位I/O接口電路；一個(gè)串行全雙工異步接口；5個(gè)中斷源和兩個(gè)中斷優(yōu)先級。 圖3.1 8051的引腳圖 單片機(jī)的功能主要是傳送頻率控制字K1和相位控制字K2給FPGA處理；生成波形表存儲于EEPROM中；控制鍵盤的寫入和LED的顯示；控制DAC0832進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換。在每次加電前都要通過單片機(jī)初始化，將寫好的程序加載在信號產(chǎn)生系統(tǒng)上，然后把從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)送到中央處理芯片上，信號通過低通濾波器輸出的同時(shí)，LED數(shù)碼管顯示信號的頻率和相位差。 單片機(jī)與FPGA的接口方式一般有兩種，即總線方式與獨(dú)立方式。因?yàn)閱纹瑱C(jī)以總線方式與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制信息通信有許多優(yōu)點(diǎn)，如速度快；節(jié)省PLD芯片的I/O口線；編程簡捷，控制可靠；另外在FPGA中通過邏輯切換，單片機(jī)易于與SRAM或ROM接口。故單片機(jī)與FPGA的接口方式選用總線方式。FPGA與單片機(jī)的總線接口如圖3.2所示，其外部接口和VHDL設(shè)計(jì)見附錄2。 圖3.2 FPGA與單片機(jī)的總線接口 MCS-51單片機(jī)的總線接口方式工作時(shí)序如圖3.3所示，它以總線方式與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制信息通信，其通信工作時(shí)序是純硬件行為，只需一條單字節(jié)指令就能完成所需的讀寫時(shí)序，如：MOVX @DPTR, A; MOVX A, @DPTR 根據(jù)時(shí)序圖3.3來設(shè)計(jì)單片機(jī)與FPGA以總線方式通信的邏輯結(jié)構(gòu)。其時(shí)序電平變化速度與單片機(jī)工作時(shí)鐘頻率有關(guān)。 圖3.3 MCS-51單片機(jī)總線接口方式工作時(shí)序 圖中，ALE為地址鎖存使能信號，利用其下降沿將低8位地址鎖存于FPGA中的地址鎖存器（LATCH_ADDRES）中；當(dāng)ALE將低8位地址通過P0鎖存的同時(shí)，高8位地址已穩(wěn)定建立于P2口，單片機(jī)利用讀指令允許信號PSEN的低電平從外部ROM中將指令從P0口讀入，由時(shí)序圖可見，其指令讀入的時(shí)機(jī)是在PSEN的上升沿之前。然后由P2口和P0口分別輸出高8位和低8位的數(shù)據(jù)地址，并由ALE的下降沿 P0口的低8位地址鎖存于地址鎖存器。若需從FPGA中讀出數(shù)據(jù)，單片機(jī)則通過指令“MOVX A，@DPTR”使RD信號為低電平,由P0口將圖3.1中鎖存器LATCH_IN1中的數(shù)據(jù)讀入累加器A;若要將累加器A的數(shù)據(jù)寫入FPGA,則需通過指令”MOVX @DPTR,A”和寫允許信號WR。這時(shí)，DPTR的高8位和低8位數(shù)據(jù)作為高、低8位地址分別向P2和P0口輸出，最后由WR的低電平結(jié)合譯碼，將累加器A的數(shù)據(jù)寫入圖中相關(guān)的鎖存器。 3.3 外圍電路設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)中除單片機(jī)和FPGA之外，還需要很多外圍電路來提供時(shí)鐘源和波形調(diào)整等，以下將簡要介紹各外圍電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇。 3.3.1 晶體振蕩電路 設(shè)計(jì)中取64個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)周期的波形，且頻率最小步進(jìn)定為20HZ，這樣需要產(chǎn)生1280HZ的方波作為鎖相環(huán)電路的輸入。將32.768KHZ的晶振通過整形電路整形和分頻，即可得到頻率為1280HZ的方波f1,如圖3.4所示。 圖3.4 晶體振蕩電路 3.3.2 地址計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路 由于一個(gè)周期我們?nèi)〉氖?4個(gè)樣點(diǎn)，最小步進(jìn)20HZ，因此如果計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖頻率為1280HZ，D/A轉(zhuǎn)換器就會輸出20HZ的波形。這樣若要得到頻率為F0（F0為20的倍數(shù)）赫茲的波形，只要輸入頻率為64×F0（HZ）的計(jì)數(shù)脈沖即可。例如要得到20HZ的正弦波，計(jì)數(shù)脈沖頻率應(yīng)為1280HZ；要得到頻率為20KHZ的正弦波，計(jì)數(shù)頻率應(yīng)為1.28MHZ。電路設(shè)計(jì)如圖3.5所示，1280HZ的方波信號作為鎖相環(huán)頻率合成器4046的基準(zhǔn)時(shí)鐘，并配以可編程計(jì)數(shù)器8254實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率的2～62500倍頻，這樣就得到了地址計(jì)數(shù)器脈沖f2。 圖3.5 地址計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路 3.3.3 幅度控制電路 波形的幅度控制利用帶寬1MHZ的DAC0832控制，利用DAC0832內(nèi)部的分壓網(wǎng)絡(luò)，將經(jīng)DDS產(chǎn)生的波形作為DAC0832的基準(zhǔn)電壓，由單片機(jī)控制輸入的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0.1V的幅度調(diào)整，幅值范圍0.3～5V。如圖3.6所示。 圖3.6 幅度控制電路 3.3.4 單片機(jī)外擴(kuò)展存儲器電路 采用外部存儲器6264（SRAM：8KRAM）和2817（EEPROM：2KROM），通過總線隔離的辦法實(shí)現(xiàn)，電路如圖3.7所示。
圖3.7 外擴(kuò)存儲器電路
3.3.5 濾波、緩沖輸出電路 D/A輸出后，通過濾波電路、輸出緩沖電路，使信號平滑且具有負(fù)載能力。濾波采用二階巴特沃茲低通濾波器，其幅度函數(shù)是單調(diào)下降的，且n階巴特沃茲低通濾波器的前（2n-1）階導(dǎo)數(shù)在ω=0處為零，所以它又稱為最大平坦幅度濾波器[24]。由于本設(shè)計(jì)要求濾波的分量主要為由D/A產(chǎn)生的高頻分量，和要保留的頻率（小于20KHZ）相差很遠(yuǎn)，所以濾波器在通帶內(nèi)的平坦程度比其衰減陡度更為重要。另外，巴特沃茲低通濾波器也不像其它濾波器對元件值要求那么苛刻，因?yàn)樵诮刂诡l率附近，頻率響應(yīng)鈍化可能是這些濾波器在要求銳截止的地方不合要求。設(shè)計(jì)中主要是頻率為≤20KHZ的正弦波。 運(yùn)放選用寬帶運(yùn)放LF351，電路設(shè)計(jì)如圖3.8。正弦波的輸出頻率小于20.48KHZ，為保證20.48KHZ頻帶內(nèi)輸出幅度平坦，又要盡可能抑制諧波和高頻噪聲，綜合考慮�。篟1=1KΩ，R2=1KΩ，C1=100pF,C=100pF。 圖3.8 濾波、緩沖電路
3.3.6 鍵盤和顯示控制電路 采用通用鍵盤接口芯片8279，通過74LS373和74LS377與單片機(jī)的P0口相連,控制4×4陣列鍵盤和4個(gè)數(shù)碼管顯示的鍵盤顯示模塊,用掃描方式由8279得到鍵盤碼，由中斷服務(wù)程序把數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和顯示功能。此方案不用單片機(jī)掃描，占用資源少，電路見附錄1。用四個(gè)LED進(jìn)行顯示，這種方案的缺點(diǎn)是不能適時(shí)顯示，但也能滿足設(shè)計(jì)要求。本方案采用單片機(jī)控制, 由4511驅(qū)動4個(gè)共陰極數(shù)碼管LED進(jìn)行動態(tài)顯示相位和頻率。
結(jié)束語 通過幾周的設(shè)計(jì)，我從中認(rèn)識到了一個(gè)真正的自我。這幾周的時(shí)間里，我利用圖書館的豐富資源，查閱與其有關(guān)的書籍；利用網(wǎng)絡(luò)資源搜索一些相關(guān)的知識。在指導(dǎo)老師的大力支持下，在同學(xué)們的熱情幫助下，通過自我的不懈努力，順利的完成了畢業(yè)論文——基于DDS的信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)。通過本次的設(shè)計(jì)，我學(xué)到了更為有趣的知識，自己的知識面也得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展。 通過本次的設(shè)計(jì)，我深深的感悟到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。我們每一個(gè)人不可以孤立的存在于社會中。學(xué)會團(tuán)結(jié)合作，是我們每一個(gè)人的必修課。在本次的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)過程中，同指導(dǎo)老師共同商量設(shè)計(jì)思路；和同學(xué)們共同討論、解決問題……這都是團(tuán)隊(duì)合作精神的體現(xiàn)。 設(shè)計(jì)中我完成了各個(gè)模塊功能的設(shè)計(jì)。但是這只是成功路上的一小步，我們還可以在此基礎(chǔ)上附加一些其他的功能如多波形模塊設(shè)計(jì)等等。使之更加的精美、完善，實(shí)現(xiàn)多功能的控制，合理的利用有限的資源。由于本人的水平有限，在本次設(shè)計(jì)中難免有缺點(diǎn)和漏洞之處，懇求大家批評指導(dǎo)，提出您寶貴的意見和建議，以便本人在以后的學(xué)習(xí)和工作中加以改正。
參考文獻(xiàn)
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