基于FPGA與LabVIEW的DDS任意信號發(fā)生器設計*

梁赫西，周　密，謝虎城（.湖北師范學院 教育信息與技術學院，湖北　黃石 4500；.武漢大學　電子信息學院，湖北　武漢　40074；.武漢華中數(shù)控有限公司，湖北　武漢　40000）

基于FPGA與LabVIEW的DDS任意信號發(fā)生器設計*

梁赫西1，周密2，謝虎城3
（1.湖北師范學院 教育信息與技術學院，湖北黃石 435002；2.武漢大學電子信息學院，湖北武漢430074；3.武漢華中數(shù)控有限公司，湖北武漢430000）

實現(xiàn)了一種基于FPGA與LabVIEW平臺的任意波形發(fā)生器。通過FPGA搭建硬件平臺，與LabVIEW上位機軟件實現(xiàn)串口通信，實時調(diào)整FPGA內(nèi)部波形數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲、疊加正弦波、自定義公式等常規(guī)波形，同時也可以手動繪制任意波形，充分發(fā)揮了軟件的靈活性。通過參數(shù)的設定，可方便地設計各種復雜波形。本設計在 EP4CE15F17C8芯片上實現(xiàn)，與LabVIEW上位機軟件協(xié)同工作，經(jīng)測試系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、靈活性。

DDS；FPGA；LabVIEW

0　引言

直接數(shù)字頻率合成［1］（Direct Digital Frequency Synthesis）是一種先進的波形合成技術，目前市面上有不少的 DDS專用芯片，但由于大部分設計固化在芯片中，在某些場合此類專用芯片具有一定的局限性［2-3］。為了提高DDS設計的靈活性，本文設計了一種基于FPGA與LabVIEW平臺的DDS任意信號發(fā)生器。由于FPGA的可編程特性以及軟件平臺的人機交互，使得設計的靈活性得到了大幅度提高。

同時由于FPGA具有豐富的寄存器、LUT資源，因此設計所需的數(shù)字邏輯可在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)，從而使得設計盡量集成到單芯片上，減小了路徑的延時，提高了系統(tǒng)的工作頻率，增大了信號發(fā)生器的分辨率［4-5］。

1　DDS設計原理

本文DDS設計方案如圖1所示。信號發(fā)生器采用相位累加的方法，通過頻率控制字K的累加實現(xiàn)相位A的控制，由于波形相位與幅值的一一對應關系，通過查表的方式可以準確輸出對應波形幅值，從而產(chǎn)生初步的波形信號。由于數(shù)字波形信號為一脈沖序列，需通過DA進行模數(shù)轉換以及LPF的平滑，方可得到理想的輸出波形信號。其波形變化流程如圖2所示。

圖1　DDS設計原理圖

圖2　波形變化流程圖

由波形輸出特點可知，輸出波形的頻率fo與相位累加器的累加地址輸出數(shù)M（M=2N）、頻率累加字K以及輸入頻率fc存在特定關系。通過分析可知，M與 fo成反比，K與fo成正比，fc與fo成正比。故可以推知輸出波形的頻率fo的計算公式如下：

由式（1）可知，fo的輸出范圍若需擴大，需增大 fc、增大 K或者減小N，而一般fc為定值，且N需要足夠大來保證最小分辨率，因此在這里需要做一個平衡，本設計選擇N為32，時鐘頻率fc為100 MHz，因此本設計的最小頻率分辨率為 0.023 2 MHz。但在實際設計中，這里N采用32 bit位寬，會給設計的存儲空間帶來非常大的考驗，需要存儲的數(shù)據(jù)量多達 4 GB，因此為了在保證最小分辨率的同時，減小系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲量，本文采取的方式是僅取用 32 bit位寬的高10位進行尋址，這樣使得內(nèi)部存儲資源能夠得到大幅度的縮減，但與此同時造成的相位截斷帶來了頻譜上的雜散分量。為了消除相位截斷帶來的頻譜雜散分量的影響，本設計在相位累加器后加入了一個偽隨機序列生成器，采用偽隨機序列生成器來打破相位截斷的周期性，這樣便可以最大程度地提高輸出波形的質(zhì)量。

2　任意信號發(fā)生器整體架構

DDS硬件構架如圖 3所示。硬件部分由 FPGA及其外圍電路組成，主要實現(xiàn)單一波形的輸出，同時提供與上位機的通信接口；其處理核心采用ALTERACYCLONE IV系列 FPGA作為硬件平臺［6-7］，主要實現(xiàn)功能為：接收上位機串口波形數(shù)據(jù)并實時將數(shù)據(jù)更新到雙口RAM。DDS控制模塊實時采集按鍵值，以調(diào)節(jié)頻率控制字K，頻率控制字K通過DDS控制模塊進行累加，并在雙口RAM中尋址得到波形幅值，并將該波形幅度值輸出到波形幅度映射模塊，此模塊可選擇對波形信號進行進一步的放大、縮小等操作。輸出到外部的波形數(shù)據(jù)流經(jīng)高速DA數(shù)模轉換，將數(shù)字信號轉換為模擬信號，此模擬信號為一階梯信號，需通過低通濾波器對信號進行平滑，最后通過放大模塊，對信號幅度進行還原即可得到理想的輸出波形信號。

圖3　任意信號發(fā)生器整體架構

2.1FPGA邏輯設計

FPGA硬件設計部分主要包括系統(tǒng)復位模塊、串口接收模塊、RAM接口模塊、按鍵控制模塊、M偽隨機序列發(fā)生模塊、RAM存儲模塊、幅度控制模塊。其整體FPGA設計RTL級視圖如圖4所示。

圖4　FPGA整體設計RTL級視圖

系統(tǒng)復位模塊采用異步復位同步釋放的方法，將外部異步時鐘同步到系統(tǒng)中，用于PLL鎖相環(huán)的復位操作，同時將外部復位信號與PLL輸出穩(wěn)定鎖定信號進行與運算，輸出結果再次進行異步復位同步釋放操作，使得輸出信號可以穩(wěn)定地對系統(tǒng)全局進行復位，從而很好地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

串口接收模塊主要由波特率發(fā)生器模塊和串口接收器模塊兩部分組成。本設計波特率預置為9 600 Baud，系統(tǒng)時鐘為 100 MHz。串口接收模塊負責接收上位機的串口數(shù)據(jù)流，并將串行數(shù)據(jù)流轉換為并行數(shù)據(jù)。

RAM接口模塊主要完成將串口接收模塊接收的1 024 B數(shù)據(jù)寫入到雙口 RAM中。寫入完畢后，將寫信號置0釋放，便于后續(xù)讀操作。寫入地址與讀寫地址均采用內(nèi)部累加器自動累加尋址。同時設定寫操作優(yōu)先級高于讀操作。

按鍵檢測模塊主要完成外部按鍵信號的檢測，從而改變輸出波形的頻率、相位以及幅度。為了增大頻率分辨率，減小數(shù)據(jù)存儲容量，將32位的相位累加器截取其高10位進行尋址，給輸出波形帶來了雜散分量，即相位截斷誤差。而相位截斷誤差主要是由于輸出波形為一周期性的階梯波，因此可通過一個M偽隨機序列來打破這種周期性，抑制相位截斷所帶來的誤差。本設計將抖動注入在相位累加器之后。

M偽隨機序列發(fā)生模塊的生成式為：1+x+x4+x5+x12，通過一個線性反饋移位寄存器可以方便地實現(xiàn)該偽隨機序列。如圖5所示，該M偽隨機序列發(fā)生模塊在全局時鐘的控制下即可產(chǎn)生出0、1的M偽隨機序列，通過數(shù)據(jù)線 dataout將隨機序列值傳遞到按鍵控制模塊的相位累加器，以達到抑制相位截斷帶來的誤差。

圖5　M偽隨機序列發(fā)生模塊原理圖

RAM存儲模塊由 8×1 024 bit的雙口 RAM組成，可完整存儲一個周期的波形數(shù)據(jù)，波形幅度為127。

2.2LabVIEW上位機設計

本設計使用LabVIEW 8.6開發(fā)了一個任意波形發(fā)生器的上位機軟件，在該軟件操作界面上可以選擇輸出波形的種類和參數(shù)，也可以手動繪制任意波形，其軟件界面如圖6所示。

圖6　任意信號發(fā)生器軟件界面

任意信號發(fā)生器軟件界面由 LabVIEW的前面板和后面板構成，在前面板中主要由一些組件構成，如按鍵組件、文本輸入組件、顯示組件等。前面板的顯示部分在手動繪制模式下為波形繪制區(qū)域，繪制過程中該組件右下角可提示鼠標所在坐標以及指示燈提示。在正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲、疊加正弦波、自定義公式等常規(guī)波形模式下，該顯示組件僅發(fā)揮顯示功能。面板下方有一些文本輸入組件，這些組件可以用來調(diào)節(jié)波形的頻率、幅度、相位以及占空比等波形相關參數(shù)，方便靈活地設計各種波形信號，這里波形頻率與最終輸出頻率有關，所以默認設計為1。前面板右下方為串口通信組件，可以設定 COM口、波特率、終止位數(shù)、數(shù)據(jù)位數(shù)、流控制、奇偶校驗以及發(fā)送間隔時長等相關參數(shù)。同時在設計中也對軟件的采樣點數(shù)進行了設置，由于本設計采用1 024 B存儲空間，故這里默認設置為1 024，實際使用中也可根據(jù)實際情況進行設置。

在設計前面板的同時，也需要對其后面板進行設計，前面板僅作為一個友好的用戶操作平臺，其操作的所有對象的數(shù)據(jù)需要在后面板上對其進行分析處理，將處理后的結果再返回到前面板顯示，因此后面板的設計尤為重要。

由前面板的設計可知，本設計的DDS任意信號發(fā)生器可以實現(xiàn)正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲、疊加正弦波、自定義公式以及任意波形繪制。在后面板設計中這些常規(guī)波形LabVIEW都提供了專門的圖形化模塊，可以直接調(diào)用產(chǎn)生相應的波形。這里為了能夠?qū)⑦@些波形以及手動繪制波形完全兼容地顯示到XY圖組件上，采用公式波形組件創(chuàng)建了一個線性遞增的采樣計數(shù)，便于統(tǒng)一管理所有的波形數(shù)據(jù)。

在手動繪制波形部分，主要通過事件結構完成鼠標繪制圖形的功能，并通過各個模塊的屬性節(jié)點來傳遞各個模塊屬性值，使得圖形化編程更加易于控制。在鼠標的位置計算上通過顯示模塊XY圖的屬性節(jié)點傳遞，得到XY圖組件坐標位置的左上方坐標點，以及XY圖組件的實際長度及寬度。得到了這些數(shù)據(jù)，便可以將XY圖組件坐標原點方便地調(diào)節(jié)到XY圖組件的左側居中位置，形成一個抽象上的X軸。而Y軸則根據(jù)波形幅值的范圍，以X軸為分界點一分為二，即形成一個抽象的坐標系。這樣便可以方便地將XY圖組件中的波形數(shù)據(jù)轉換為實際的波形數(shù)據(jù)，便于串口通信組件的發(fā)送；同時也利于在手動繪制模式時，鼠標實際位置的計算。通過鼠標經(jīng)過的路徑實時地將坐標顯示出來，即可完成鼠標波形繪制的功能。手動設計原理如圖7所示。

圖7　手動繪制模式設計圖

在串口通信部分采用LabVIEW集成的串口通信模塊。根據(jù)其設計流程，依次將 VISA組件中的 VISA串口配置模塊、VISA串口啟動模塊、VISA串口寫模塊以及VISA串口關閉模塊加入到后面板，聯(lián)通各模塊并將輸入數(shù)據(jù)按照輸入格式進行數(shù)據(jù)類型轉換，使通信暢通，即實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)在上位機與FPGA之間的通信。

3　仿真與測試

為驗證優(yōu)化設計，在FPGA仿真階段對本設計進行了功能仿真。仿真軟件采用 Mentor公司的 Modlesim，通過書寫測試激勵文件，結合Quartus II的設計網(wǎng)表文件，共同載入Modelsim仿真環(huán)境進行仿真，得到了圖 8所示的仿真時序圖，從仿真結果可以看出，經(jīng) FPGA處理輸出的波形信號質(zhì)量高，符合設計要求。經(jīng)測試，本DDS任意信號發(fā)生器的常規(guī)波形頻率范圍為 0.03 Hz～40 MHz，任意波形頻率范圍為0.03 Hz～20 MHz，其頻率分辨率為 0.03 Hz，幅值分辨率為 8 bit，幅度范圍為-3 V～+3 V，相較于參考文獻［1］，在波形輸出頻率上提升了10%，在頻率分辨率上提升了 40%。由于相位雜散的影響，在鋸齒波的最高頻率處出現(xiàn)了小幅度的間隔，在方波的高低電平處存在一定的紋波，但波動控制在極小幅度范圍之內(nèi)，能夠滿足一般工業(yè)應用。在幅值量化上，由于采用有限位寬的數(shù)字信號進行模擬量的量化，因此不可避免地會產(chǎn)生極小的量化誤差，但通過低通濾波器的處理，能夠理想地還原出原始信號，符合預期的設計目標。

圖8　仿真測試圖

設計采用RIGOL的DS1002C雙通道示波器測試儀器進行了板級測試，其具有良好的波形存儲功能，采樣率高達25 GS/s，帶寬為100 MHz。其效果如圖9、圖10所示。

圖9　正弦波效果圖

4　結論

本文通過在FPGA平臺上實現(xiàn)DDS任意信號發(fā)生器的硬件平臺，采用LabVIEW設計上位機軟件與FPGA硬件平臺進行通信，實時更新波形數(shù)據(jù)，拓展了 DDS任意信號發(fā)生器的波形種類，增強了其靈活性。

圖10　手動繪制波形效果圖

本設計實現(xiàn)了采用相位截斷的方法提高設計的頻率分辨率，同時又通過M偽隨機序列注入抖動，消除相位截斷誤差，提高了信號發(fā)生器的性能。經(jīng)仿真驗證，證實了本設計的可行性與穩(wěn)定性。

［1］萬志江.基于 FPGA的DDS IP核的研究與設計［J］.微電子學與計算機，2013（8）：98-102.

［2］劉偉，鐘子發(fā)，葉春逢.基于FPGA+DDS的信號源設計與實現(xiàn)［J］.微型機與應用，2010，29（9）：18-20，24.

［3］梁赫西，陳佑紅，鄭朝霞.基于FPGA的可配置FFT_IFFT處理器的設計與實現(xiàn)［J］.電子技術應用，2012，38（3）：57-59.

［4］哈立原.基于FPGA的直接數(shù)字式頻率合成器設計［J］.內(nèi)蒙古大學學報，2013，44（4）：409-413.

［5］LARSON D C.High speed direct digital synthesis techniques and application［J］.IEEE，1998：209-212.

［6］AlteraCorporation.CycloneIIdevicehandbook［EB/OL］. www.altera.com.2005.

［7］Analog Devices.AD9740 10-Bit，210 MSPS TxDAC D/A Converter［EB/OL］.（2005-01-03）.［2014-09-01］.www.analog.com.

DDS arbitrary signal generator based on FPGA and LabVIEW

Liang Hexi1，Zhou Mi2，Xie Hucheng3
（1.Educational Information and Technology，Hubei Normal University，Huangshi 435002，China；2.Electronic Information School，Wuhan University，Wuhan 430074，China；3.Wuhan Huazhong Numerical Control Co.，LTD.，Wuhan 430000，China）

This paper implements a platform based on FPGA and LabVIEW arbitrary waveform generator.By FPGA it built hardware platform，achievred serial communication with LabVIEW PC software，adjusted the FPGA waveform data in real time，and enabled sine，square，sawtooth，triangle，Gaussianwhitenoise，superimposedsine，customformulasandotherconventional waveform.You can also manually draw arbitrary waveform，fully exploiting the flexibility of the software.By setting the parameters，the design can be more convenient for all waveforms.The design of the EP4CE15F17C8 chip works with LabVIEW PC software，the system has been tested and has good stability and flexibility.

DDS；FPGA；LabVIE

TN92

A

1674-7720（2015）02-0025-04

2012國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201210513022）

（2014-09-19）

梁赫西（1982-），男，碩士，講師，主要研究方向：FPGA數(shù)字系統(tǒng)設計。

周密（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向：集成電路設計。

謝虎城（1992-），男，工程師，主要研究方向：數(shù)字集成電路設計。