基于FPGA的实验室可重构信号源的设计

摘要 介绍了以直接频率合成技术DDS为基础的信号发生器基本工作原理及设计过程，并以单片机和FPGA为核心实现了波形、频率、幅值均可调节的信号发生器设计。经测试验证，该信号发生器取得了理想的结果，达到了设计要求。
关键词 单片机；FPGA；DDS；信号发生器

1 直接数字频率合成技术
    直接数字频率合成技术(DDS)是近年来迅速发展的一种新型频率合成方法，它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，通过控制相位变化的速度来直接产生各种不同频率的信号。DDS的基本原理如图1所示，把一个单位振幅的正弦函数的相位在2π弧度内分成2N个点，求出相应各点的正弦函数值，并用D位二进制数表示，写入ROM中构成一个所谓的正弦表。在高速稳定的参考时钟控制下依次读出每个相位对应的正弦函数值，即得到采样的正弦离散信号，经D／A转换得到需要的模拟信号，改变输入时钟频率即可控制输出信号的频率。

    根据DDS的原理分析可知，DDS输出波形频率为fo=Kfc／2N。最低输出频率(K=1)fmin=fc／2N，最高输出频率为fmax=fc／4，其中，fc为累加时钟频率；K为频率控制字；N为累加器位数。

2 系统整体方案设计
    系统设计主要由主控制器模块、FPGA模块、D／A转换模块、滤波模块、调幅模块、按键输入模块、功率放大模块及液晶显示模块构成。系统框图如图2所示。采用STC89C51单片机作为系统的主控制器；FPGA模块实现波形数据的存储与输出；D／A转换模块将波形数据转换为模拟量。液晶显示器用于显示波形、幅度、频率等。

3 系统主要硬件电路设计
3．1 主控制器电路设计
    主控制器采用AT89C51单片机，系统采用总线技术，这样仅占用了单片机的少量接口和IO资源就可以组建起整个系统，使得硬件和软件设计更方便，也利于扩展，具体电路如图3所示。

3．2 DDS的FPGA实现电路设计
    DDS系统包括相位增量寄存器、相位累加器、地址寄存器、波形存储器、时钟倍频器及地址发生部分等模块，内部所有模块用Verilog语言编写或调用QuartusⅡ中的已有lpm库文件。系统顶层设计用原理图的方式进行模块间的连接，具体电路如图4所示。当改变波形存储器中波形数据时，也就改变了输出波形，可以通过波形选择按钮分别输出正弦波、方波、三角波3种波形。

3．3 D／A转换及调幅电路
    如图5所示，将波形存储ROM的输出通过D／A转换电路转换为模拟信号，通过算法实现幅度控制并设置独立按键执行微调，再通过滤波电路滤波，即可得到所需的波形。

3．4 功率放大模块
    由于输出信号的功率较小，输出有负载时，会有较大失真，带负载能力差，要考虑到功率放大，对输出的信号进行放大。设计中功率放大采用功率放大芯片TDA2030A实现，TDA2030A是意法半导体公司生产的单声道功放IC，该IC体积小巧、输出功率大、静态电流小、动态电流大、负载能力强，既可带动4～16 Ω的负载，某些场合又可带动2 Ω甚至1．6 Ω的低阻负载，且性价比高，具体电路如图6所示。
3．2 DDS的FPGA实现电路设计
    DDS系统包括相位增量寄存器、相位累加器、地址寄存器、波形存储器、时钟倍频器及地址发生部分等模块，内部所有模块用Verilog语言编写或调用QuartusⅡ中的已有lpm库文件。系统顶层设计用原理图的方式进行模块间的连接，具体电路如图4所示。当改变波形存储器中波形数据时，也就改变了输出波形，可以通过波形选择按钮分别输出正弦波、方波、三角波3种波形。
3．3 D／A转换及调幅电路
    如图5所示，将波形存储ROM的输出通过D／A转换电路转换为模拟信号，通过算法实现幅度控制并设置独立按键执行微调，再通过滤波电路滤波，即可得到所需的波形。
3．4 功率放大模块
    由于输出信号的功率较小，输出有负载时，会有较大失真，带负载能力差，要考虑到功率放大，对输出的信号进行放大。设计中功率放大采用功率放大芯片TDA2030A实现，TDA2030A是意法半导体公司生产的单声道功放IC，该IC体积小巧、输出功率大、静态电流小、动态电流大、负载能力强，既可带动4～16 Ω的负载，某些场合又可带动2 Ω甚至1．6 Ω的低阻负载，且性价比高，具体电路如图6所示。

4 软件设计
    软件设计采用C语言编写。软件主要由主程序、液晶子程序和按键子程序等组成。软件主流程如图7所示。系统加电后，主程序的功能主要是完成系统初始化，包括液晶、频率幅度等参数的初始化，更新显示数字，循环扫描按键，根据按键输入分别进行频率幅度的设定，通过幅度控制字的设定向DAC输出幅度控制字，通过频率控制字的输入向FPGA写频率控制字，从而达到改变输出波形频率和幅值的目的，并在液晶显示器上显示出来。显示效果如图8所示。

5 结束语
    系统采用FPGA实现DDS电路，以AT89C51为主控制器，实现了输出频率范围为1 Hz～10 MHz的正弦波、方波、三角波的信号发生器，并且幅值和频率均可调节，其最小步进频率可达1 Hz。测试结果表明，该设计具有频带宽、精度高、性能稳定、成本低和操作界面友好等特点。用这种方法设计的波形发生器只要改变FPGA中ROM的数据，DDS就可以产生任意波形，提高了设计的灵活性，降低了电路的复杂度，减少了电路设计时间和可能发生的错误，具有较高的性价比。