基于FPGA的信号发生器系统结构分析
作者： 徐小飞
基于运用EDA技术，以FPGA器件为核心，用Verilog HDL硬件描述语言来设计各个功能模块，采用DDS直接数字频率合成技术设计信号发生器，通过CPU控制每个采样点的输出间隔来控制输出波形的频率，改变波形存储器中的波形数据来产生任意波形。
0 引言
信号发生器应用非常广泛，包括通信、测量、控制、雷达还有教学等邻域，是不可或缺的工具。随着科学技术的不断发展，信号发生器的设计方法越来越多，其设计技术也越来越先进。传统的信号源种类多样，但大多是采用专用芯片或单片机或模拟电路，不但具有成本高、控制方式不灵活、波形种类少等特点不能满足使用者的要求，而且其外围电路也过于复杂，应用起来效果不尽人意。
随着FPGA（Field Programmable Gate Array）技术的引入，微电子技术的突飞猛进，在信号发生的领地得到了极大的拓展，技术手段呈现快速发展的势头，应用更加广泛和灵活，特别是其在信号发生器上的良好运用得到了充分的体现，有效解决了传统信号发生器带来的模式单一、运行繁杂等一系列问题。
由于以上原因本设计提出以基于EDA技术的FPGA器件作为主控芯片，依据DDS直接数字频率合成技术，提出了一种比较简单的信号发生器设计方法。利用Quartus II软件结合VerilogHDL硬件描述语言进行系统编程，经过调试后下载到本设计中的FPGA器件EP1C3T100C8N中，通过实验验证表明，该信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波，信号频率范围在0.02～1 MHz。
1 信号发生器系统结构
1.1 系统总体结构
一个基于FPGA的DDS信号发生器，可以生成标准的正弦波、方波、三角波等常用波形。
在FPGA完成DDS的功能，通过Quartus II实现按键控制，系统结构框图如图1-1所示。
图1-1 系统结构框图
图1-1所示的是整个系统的结构图，下面对图中所涉及的一些功能部分进行简要的说明。
a．PLL部分：此部分为系统锁相环，功能是为整个系统提供工作时钟，并且在后面控制输出波形的频率提供一个基准频率。
b．ROM部分：此部分是存储波形数据的查找表，是实现DDS信号发生器的必要工具，通过改变ROM查找表内的数据就能改变输出波形。
c．DDS部分：此部分是通过代码实现的，是本设计的关键所在，它的作用是输出数字信号给后面的DAC转换器，是实现设计要求的核心部分。
d．DAC转换器部分：此部分是将系统输出的数字量转换成模拟量并输出，把前面的DDS定义为本系统的软件核心，而DAC转换器则是本系统的硬件核心部分。
e．功能按键：这部分的作用是提供给用户所使用的，用以控制和改变输出波形的形式以及输出频率。
1.2 FPGA基本性能与结构
微电子技术在不断进步发展的同时，可编程逻辑器件得到了飞速的发展，相比于门阵列和其他ASIC（Application Specific Integrated Circuit），FPGA拥有灵活的体系结构和逻辑单元、同时还兼有集成度高和适用范围宽、研发单位时间短，成本低廉、选用的开发工具比较领先、能够实时在线检验等优点。
FPGA器件组成十分复杂，内部拥有大量逻辑宏单元。依靠FPGA器件完成不同的功能需要配置好内部的逻辑宏单元，将这些不同的逻辑宏单元合成不同的硬件结构，以此进一步地构成各种各样的电子系统。FPGA拥有无可比拟的一大优势便是其硬件重构具有很高的灵活性，借助这一优势设计者可以使用硬件描述语言（VHDL、Verilog等）在FPGA中实现所描述的电路。
本设计所使用的是Cyclone系列中的EP1C3T100C8N，Cyclone系列器件是ALTERA公司的一款成本低、高性价比的FPGA器件，它的结构和工作原理在FPGA器件中具有典型性。
1.3 DDS基本原理
DDS（Direct Digital Synthesizer），它具备了以往相关技术所不具备的许多特点，它的频率分辨率较高，这保证了它在运行过程中能够进行快速的频率转换，与此同时它还能保持住相位的稳定性和连续性，因此更加容易获得信号频率、相位变化以及震荡幅度调制的数字控制。下面以正弦波信号发生器为例说明。
通过上面的步骤原理，可以借助于DDS直接数字合成技术设计并且实现所需要的数控频率合成器。DDS直接数字合成器是用数字控制方式生成所要求的信号频率、相位变化以及震荡幅度等等的正弦波，同时还可以对其进行有效地控制，典型的DDS直接数字频率合成器由许多不可或缺的部分组成，有相位调制器、相位累加器、ROM正弦查找表和D/A数模转换构成，其结构如图1-2所示。
2 系统硬件与软件的设计
2.1 锁相环设计
锁相环（phase locked loop），顾名思义，就是锁定相位的环路。锁相环（PLL）能提供先进的时钟管理能力，例如频率合成、可编程相移、可编程占空比、时钟倍频、分频等完整的时钟管理方案。在本设计中除了是给整个系统提供工作时钟信号，还有一个非常重要的作用，决定了本设计最终输出波形的频率大小，以及频率分辨率。
2.2 ROM设计
本设计的最终结果得到正弦、方波、三角波的输出信号，这个过程是通过将数字量通过DAC转换器不断的转换来完成。因此需要事先将这些波形的的数字量数据存在ROM模块中，以便系统读取波形数据。通过定制波形数据文件来设计出需要的正弦波ROM模块、方波ROM模块和三角波ROM模块。
2.3 D/A数模转换电路
采用非常普遍的8位D/A转换器DAC0832作为数模转换芯片。其转换时间为1us，工作电压为+5V~+15V，基准电压为+15V。它主要由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成。
图2-1 低速DAC0832数模转换电路
2.4 电源电路设计
由于系统中各个模块用到的电压不同，所以就需要对电压进行转换。外接12V电源，通过转换电路来实现各个系统所需要的电压，转换电路如下图所示。
2.5 软件设计
本设计通过Quartus II软件对FPGA主控进行编程配置，实现了用按键控制输出的波形和频率，程序流程图如图2-4所示。
图2-4 程序流程图
3 误差分析
3.1 相位截断误差分析
本设计相位累加器设定为32位，正弦表数据为8位，因此在ROM查找表里的容量为232×8=34，359，738，368（bits），在理论上这可以获得精细的频率分辨率，但是这么大容量的数据却很难实现。所以，在本设计中的DDS中采用了相位截断法，只用了相位累加器输出的高10位作为地址对ROM查找表进行查表，其他低位的地址就简单的舍弃了。查表时相位值就会出现误差，使得最后输出波形的幅度值产生误差，就会有很多的杂散信号存在。
3.2 电源噪声误差
由于电源部分存在多种电压值，相互间有一定的干扰，会造成输出波形一定的失真。因此对电源的稳定性有更高的要求，可以对数字地和模拟地隔开，降低对输出波形的影响。
3.3 后级运放误差分析
数字量经数模转换器转换后信号经过集成运放放大后输出，会有一定的失真。因为集成运放自身会存在一些不可避免的因素，如：输入电压失调，输入电流失调、增益带宽积、上长速度限制。这会导致，当输入较高的频率时，产生相位失真。虽然这些误差是系统自身的，不可避免，但是只要通过给予合适的频率控制字，相位累加器位数、查找表地址位数以及控制好系统时钟频率和尽量使用高品质的电源，尽量提高滤波器的性能，输出的波形还是能够很好的满足使用者的需要。
4 结论
本设计提出了一种基于FPGA信号发生器的设计方法，以Quartus II为软件开发平台，以EP1C3T100C8N器件为硬件平台，采用Verilog HDL硬件描述语言进行编程，将DDS直接频率合成技术实现在FPGA器件上，通过数模转换电路，将系统输出的数字信号转换为模拟信号，实现信号频率范围在0.02～1MHz的正弦波、方波和三角波的产生，并且可以通过按键对正弦波、方波和三角波进行切换。
参考文献：
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