基于FPGA與單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘 要 現(xiàn)今波形發(fā)生器的品種繁多，本文通過對(duì)這些波形發(fā)生器的借鑒，在設(shè)計(jì)波形發(fā)生器的過程中借用FPGA與單片機(jī)，采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)作為其核心。本文通過對(duì)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)各部分進(jìn)行介紹，從中發(fā)現(xiàn)三角波、正弦波與鋸齒波等在該波形發(fā)生器都能產(chǎn)生，且在控制方面顯得非常的靈活，擁有很好的輸出波形能力，希望本人的設(shè)計(jì)方法能夠?qū)σ院蟮牟ㄐ伟l(fā)生器方面的設(shè)計(jì)起到一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) FPGA 波形發(fā)生器

現(xiàn)今設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的過程中將EDA技術(shù)與可編程邏輯器件大量應(yīng)用于其中。相比于其他的可編輯邏輯器件，剛出現(xiàn)的FPGA有著密度更大、編程靈活性更高與工作速度更快的特點(diǎn)，這是它的優(yōu)勢(shì)所在。而且單片機(jī)以其特殊的優(yōu)勢(shì)在各領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用，其齊全的功能、小體積與低價(jià)格等優(yōu)勢(shì)是其他器件無法替代的。在設(shè)計(jì)波形發(fā)生器的過程中運(yùn)用可現(xiàn)場(chǎng)編輯與高速度高密度功能的FPGA和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的的單片機(jī)，通過對(duì)他們的運(yùn)用將使得該波形發(fā)生器擁有很好的輸出波形能力。

1 對(duì)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的介紹

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)就是通過合成得來的，將全數(shù)字技術(shù)運(yùn)用其中，DAC將所有的屬于數(shù)字形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換成屬于模擬形式的信號(hào)。其基于采樣定理先要采樣出現(xiàn)的波形，然后數(shù)字化采樣值，再進(jìn)行存儲(chǔ)，用表格的形式制定出來，讀出數(shù)據(jù)就可以通過對(duì)表進(jìn)行查詢來進(jìn)行。再對(duì)這些讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模擬量，這個(gè)過程中的轉(zhuǎn)換用D/A轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。進(jìn)而重新合成先前存進(jìn)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。頻率控制字N與K比特在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)通過相位累加器增加一次累加，在這個(gè)過程中通過取摸運(yùn)算2N，從而使相位值得出，進(jìn)而以二進(jìn)制代碼的形式使得相位值尋址存儲(chǔ)器中相關(guān)的RAM，將對(duì)應(yīng)于相位值的幅度值進(jìn)行輸出，隨后離散信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)信號(hào)需要DAC數(shù)模進(jìn)行轉(zhuǎn)換幫助，最終信號(hào)輸出還需要低通濾波器進(jìn)行幫助才可以得出來。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)與上位機(jī)部分、模擬電路與FPGA部分一起成為這個(gè)系統(tǒng)的總體。單片機(jī)作為波形發(fā)生器的中心控制單元，波形發(fā)生器界面通過上位機(jī)來控制，而ROM中存儲(chǔ)所要求的波形數(shù)據(jù)需要借用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，ROM需要在FPGA 中進(jìn)行構(gòu)造。通過上位機(jī)的命令，單片機(jī)將查表地址等信息輸出給FPGA，相關(guān)的波形數(shù)據(jù)通過這些信息在FPGA中得出，當(dāng)然，這些波形數(shù)據(jù)的輸出還需要D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.1 單片機(jī)部分

在對(duì)波形發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中處理器需用MCS8031，F(xiàn)PGA的復(fù)位信號(hào)選用P1.2，波形選擇信號(hào)選用P1.0和P1.1，DAC0832的片選端選用P2.5，低8位地址與數(shù)據(jù)線選用P0。通過上位機(jī)的發(fā)出信息的獲取，向FPGA輸出相關(guān)波形方面的信息，同時(shí)對(duì)DAC0832的使能進(jìn)行操控。

2.2 上位機(jī)部分

上位機(jī)部分與單片機(jī)通信運(yùn)用MSComm來達(dá)到，也就是對(duì)Windows中的串行通信能力完整的ActiveX控件進(jìn)行運(yùn)用。編程容易實(shí)現(xiàn)與方便等作為MSComm控件的優(yōu)勢(shì)僅僅使用于對(duì)話框中可是很浪費(fèi)的，其完全能夠滿足波形發(fā)生器的要求和特點(diǎn)。通信空間和其他的控件都是通過用戶接口和各種屬性來達(dá)到其功能的運(yùn)用，很多屬性由控件提供，而且與Modem相關(guān)的屬性在其中占有很大的比例。而且因10到20K的整型數(shù)據(jù)出現(xiàn)在C界面之中，因而，在送給單片機(jī)以前要將這個(gè)頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率控制字，當(dāng)然，這個(gè)頻率控制字是16位的。

2.3 FPGA部分與模擬電路部分

各種質(zhì)量高的波形的產(chǎn)生對(duì)運(yùn)用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的波形發(fā)生器來說是非常簡(jiǎn)單的。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)就是將全數(shù)字技術(shù)運(yùn)用其中，通過DAC將全部信號(hào)的數(shù)字形式轉(zhuǎn)換成模擬形式。就像正弦波在ROM表中存儲(chǔ)的正弦波形信息需要以部分采樣點(diǎn)數(shù)作為依據(jù)，這個(gè)時(shí)間段為一個(gè)周期。其數(shù)字幅度信息存在于這個(gè)表中，而且這個(gè)信息所需的時(shí)間段也是相同的。這種波的360范圍內(nèi)的相位點(diǎn)的幅度值都有與出現(xiàn)的地址相呼應(yīng)的，其幅度的數(shù)字量信號(hào)通過輸入進(jìn)來的地址相位信息的映射從而得出來，這個(gè)過程可以通過對(duì)表進(jìn)行查找得出，從而對(duì)D/A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行推動(dòng)。直接數(shù)字頻率合成方法通過對(duì)表中輸出信號(hào)的頻率查找的得到可以通過以下公式進(jìn)行：

Fout=（x*[Felk]）/Y Y為2的N次

其中輸出信號(hào)頻率的更改可以借助對(duì)尋址步長(zhǎng)的更改來實(shí)現(xiàn)，這主要是輸出信號(hào)的頻率正比于制字，對(duì)尋址位寬M和累加器的位寬N等進(jìn)行明確后，在每次累加器循環(huán)的周期中增多步長(zhǎng)X使得減少地址個(gè)數(shù)，同時(shí)也就縮減了輸出一個(gè)中期波形所需要的時(shí)間，于此同時(shí)也就增強(qiáng)了輸出信號(hào)的頻率。同時(shí)，縮減的輸出信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)以及提升的輸出頻率與步長(zhǎng)會(huì)使得波形的平滑度與精度被壓低，從而無法達(dá)到要求，輸出信號(hào)的最高頻率也就因此受到了限制，同時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)頻率因采樣定理不足半數(shù)的時(shí)鐘頻率。在現(xiàn)實(shí)中信號(hào)輸出質(zhì)量為了做到保障，輸出的頻率還達(dá)不到百分之三十三的時(shí)鐘頻率，這樣是為了防止有用輸出帶內(nèi)進(jìn)入諧波和混疊。為了將所產(chǎn)生的波形頻率進(jìn)行提升，需要對(duì)頻率很高的FPGA進(jìn)行選取。后級(jí)電路中的D/A轉(zhuǎn)換選用轉(zhuǎn)換速度快的DAC0832。ROM表的量在FPGA中的出現(xiàn)不可能是無限的，這需要我們將這個(gè)因素考慮到，而且地址與數(shù)據(jù)位數(shù)的提升也會(huì)擴(kuò)大ROM表，而在對(duì)采樣信號(hào)功能進(jìn)行滿足的要求下對(duì)資源的使用量進(jìn)行降低是我們需要面對(duì)的。所以，在對(duì)波形發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中要對(duì)資源的消耗量進(jìn)行考慮，這可以通過對(duì)正弦波信號(hào)周期內(nèi)的對(duì)稱性與算數(shù)關(guān)系進(jìn)行有效的利用來實(shí)現(xiàn)，畢竟整個(gè)波形周期的采樣值僅僅只用到四分之一的正弦表就可以達(dá)到，資源方面也就會(huì)因此減少了四分之三的消耗量。同時(shí)，累加器、分頻器與比較器相結(jié)合可以將PWM波展示出來，各個(gè)部位的實(shí)現(xiàn)可以通過模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行，而且連接最上層的文件，這樣修改起來很是簡(jiǎn)便。

3 結(jié)語

在對(duì)設(shè)計(jì)的中運(yùn)用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)作為其核心技術(shù)，測(cè)試過后可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求在輸出波形上完全可以完全滿足。相比于以前的發(fā)生器概念，運(yùn)用了這種技術(shù)的波形發(fā)生器在對(duì)調(diào)整頻率方面可以說是非常的簡(jiǎn)便，出現(xiàn)的波形在頻率分辨率方面也可以得到很好的滿足，其擁有很快的輸出頻率轉(zhuǎn)換速度，同時(shí)輸出波形在對(duì)頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中也是連續(xù)的相位。希望本人在波形發(fā)生器方面的設(shè)計(jì)思路能夠?qū)σ院蟮牟ㄐ伟l(fā)生器方面的設(shè)計(jì)起到一定的幫助。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

夏曉玲（1967-），女， 湖北省鄂州市人。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位。現(xiàn)為鄂州職業(yè)大學(xué)副教授。主要研究領(lǐng)域?yàn)閱纹瑱C(jī)技術(shù)、電子技術(shù)應(yīng)用。

作者單位

鄂州職業(yè)大學(xué) 湖北省鄂州市 436000