基于FPGA的低噪聲三角波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

苗鑫

基于FPGA的低噪聲三角波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

苗鑫

（沐曦集成電路（南京）有限公司，江蘇 南京 210000）

基于XC7K325T FPGA邏輯控制和AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)一款低噪聲三角波信號(hào)發(fā)生器，輸出阻抗為50 Ω，電平噪聲小于5 mV的低噪聲三角波調(diào)制信號(hào)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該發(fā)生器與專用的信號(hào)發(fā)生器相比，其輸出的三角波調(diào)制信號(hào)電平噪聲較低，提高了三角波信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)質(zhì)量。

XC7K325T FPGA邏輯控制；AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換；三角波信號(hào)發(fā)生器；三角波調(diào)制信號(hào)

0 引言

信號(hào)發(fā)生器是一種提供頻率、波形和輸出電平電信號(hào)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種電路。目前，專用的信號(hào)發(fā)生器雖然精度較高，但價(jià)格昂貴，不便于攜帶，無(wú)法應(yīng)用于小型產(chǎn)品中。

目前數(shù)據(jù)處理通常采用數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing, DSP）專用芯片和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）器件來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。其中，DSP存在成本高、難以編程、頻率低的問(wèn)題，不利于并行處理任務(wù)；FPGA可用于高速信號(hào)處理，大量的I/O接口方便擴(kuò)展設(shè)計(jì)，且時(shí)鐘管理塊可產(chǎn)生高頻時(shí)鐘，提高了數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)乃俾蔥2]。

本文設(shè)計(jì)了以FPGA為邏輯控制模塊，AD9783為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的三角波信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)低噪聲的三角波調(diào)制信號(hào)輸出。

1 總體設(shè)計(jì)

基于FPGA的低噪聲三角波信號(hào)發(fā)生器由XC7K325T FPGA邏輯控制、DC-DC電源轉(zhuǎn)換、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換和AD8009信號(hào)放大5個(gè)模塊組成，如圖1所示。

圖1 基于FPGA的低噪聲三角波信號(hào)發(fā)生器總體設(shè)計(jì)

XC7K325T FPGA邏輯控制模塊主要對(duì)AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行控制，包括SPI接口配置和LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送等。

DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊由DC電源提供5 V輸入電壓，輸出電壓分別為1.2 V（給XC7K325T FPGA邏輯控制模塊供電）、1.8 V（給以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊供電）、1.8 V（給AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊供電）、1.8 V（給AD8009信號(hào)放大模塊供電）。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)千兆以太網(wǎng)口連接上位機(jī)與XC7K325T FPGA邏輯控制模塊。

AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)SPI接口接收XC7K-325T FPGA邏輯控制模塊的工作模式配置信息，并將XC7K325T FPGA邏輯控制模塊輸出的LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，輸出給AD8009信號(hào)放大模塊。

AD8009信號(hào)放大模塊對(duì)AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行放大濾波，產(chǎn)生滿足幅度、寬度、噪聲要求的三角波調(diào)制信號(hào)[3]。

2 硬件部分

2.1 XC7K325T FPGA邏輯控制

XC7K325T FPGA擁有478 k邏輯單元；時(shí)鐘管理塊CMT可支持500 MHz高頻時(shí)鐘；高速收發(fā)器支持12.5 Gb/s的傳輸速率，可用于千兆以太網(wǎng)接口[4]；多達(dá)400個(gè)寬范圍（HR）和高性能（HP）I/O可產(chǎn)生SPI控制信號(hào)以及LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，用于高速DAC接口連接。XC7K325T FPGA有豐富的接口資源，如表1所示，可以滿足本設(shè)計(jì)的需求。

表1 XC7K325T FPGA I/O資源數(shù)量 單位：個(gè)

千兆比特收發(fā)器（GTXs）連接X(jué)C7K325T FPGA和以太網(wǎng)口；寬范圍（HR）和高性能（HP）I/O連接X(jué)C7K325T FPGA和AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；時(shí)鐘管理器（CMTs）產(chǎn)生高頻輸出I/O時(shí)鐘[5-7]。

2.2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)將控制命令傳輸給XC7K325T FPGA邏輯控制模塊。XC7K325T FPGA與千兆以太網(wǎng)接口連接如圖2所示。

圖2 XC7K325T FPGA與千兆以太網(wǎng)接口連接圖

125 MHz的差分晶振連接X(jué)C7K325T FPGA的MGTREFCLKP/N LVDS差分接口，作為參考時(shí)鐘[8-9]；XC7K325T FPGA的MGTXRXP/N和MGTXTXP/N LVDS差分接口分別連接千兆以太網(wǎng)口的RD+/-和TD+/-接口，用來(lái)傳輸以太網(wǎng)物理層差分電信號(hào)。在PCB布線時(shí)，為使PCB的阻抗匹配，需將LVDS差分線分別做等長(zhǎng)設(shè)置、阻抗100 Ω的匹配處理。

2.3 AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換

AD9783是一款高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，具有高動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲等特點(diǎn)。XC7K325T FPGA邏輯控制模塊和AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的接口連接如圖3所示。

XC7K325T FPGA擁有高性能（HP）和寬范圍（HR）2種I/O組[10]。本設(shè)計(jì)中SPI寄存器配置接口使用寬范圍（HR）I/O組，500 MHz LVDS差分時(shí)鐘和數(shù)據(jù)使用高性能（HP）I/O組。PCB的LVDS差分線需要設(shè)置為等長(zhǎng)、做阻抗100 Ω的匹配處理。

圖3 XC7K325T FPGA和AD9783的接口連接圖

3 FPGA開(kāi)發(fā)

3.1 三模式以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

FPGA三模式以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。FPGA三模式以太網(wǎng)MAC設(shè)計(jì)與開(kāi)放系統(tǒng)互連（open system interconnection, OSI）參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層相關(guān)[11]。其中，數(shù)據(jù)鏈路層的MAC和MAC控制子層描述以太網(wǎng)幀協(xié)議的數(shù)據(jù)格式、錯(cuò)誤檢測(cè)以及實(shí)時(shí)流量控制操作；物理層由PCS、PMA和PMD子層組成，主要定義了比特信號(hào)發(fā)送時(shí)相關(guān)的電氣、時(shí)序和其他接口。本設(shè)計(jì)使用2種主要的物理層連接為BASE_T PHYs（MAC和電口連接）、BASE_X PHYs（MAC和光口連接）。FPGA以太網(wǎng)MAC設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 FPGA以太網(wǎng)MAC設(shè)計(jì)框圖

FPGA三模式以太網(wǎng)MAC的IP核選擇物理接口GMII，MAC速率為1 000 Mb/s。IP核的物理接口與以太網(wǎng)PHY設(shè)備連接，可支持BASE_T標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率分別為1 Gb/s、100 Mb/s和10 Mb/s。PHY設(shè)備可支持GMII/MII、RGMII、以太網(wǎng)1000BASE-X PCS/PMA 或SGMII、SGMII。

以太網(wǎng)MAC的用戶端和FIFO連接，此端口與開(kāi)關(guān)或者路徑連接。GMII接口時(shí)鐘為125 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Gb/s。用戶端根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)框架將數(shù)據(jù)寫入FIFO中，并按照數(shù)據(jù)框架要求，一幀數(shù)據(jù)量不大于1 500個(gè)字節(jié)[12]。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，每一幀數(shù)據(jù)最后4個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)數(shù)據(jù)。32-bit循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）的計(jì)算公式為

圖5中，信號(hào)crc_state表示狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，信號(hào)ip_tx_start為觸發(fā)crc_state狀態(tài)從IDLE跳轉(zhuǎn)為TOT_LEN的條件；信號(hào)crc_cks表示當(dāng)前狀態(tài)下需要產(chǎn)生的信號(hào)值，直到一幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生完成。

圖5 一幀數(shù)據(jù)狀態(tài)流程圖

3.2 LVDS設(shè)計(jì)

XC7K325T FPGA邏輯控制使用OSERDES2原語(yǔ)產(chǎn)生LVDS差分采樣時(shí)鐘信號(hào)CLKP/CLKN和LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)D15P、D15N～D0P、D0N，輸出給AD9783數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。XC7K325T FPGA的OSERDES2原語(yǔ)如圖6所示。

XC7K325T FPGA邏輯控制中對(duì)OSERDES2原語(yǔ)進(jìn)行例化使用，OSERDES2原語(yǔ)例化VHDL RTL如下：

u_dclk_inst : OSERDESE2

generic map (

DATA_RATE_OQ => "DDR",

DATA_RATE_TQ => "DDR",

DATA_WIDTH => 4,

INIT_OQ => '0',

INIT_TQ => '0',

SERDES_MODE => "MASTER",

SRVAL_OQ => '0',

SRVAL_TQ => '0',

TBYTE_CTL => "FALSE",

TBYTE_SRC => "FALSE",

TRISTATE_WIDTH => 4

) port map (

…

);

OSERDES2原語(yǔ)中的generic map是需要配置的參數(shù)屬性。本設(shè)計(jì)中主要配置的參數(shù)屬性為數(shù)據(jù)，以DDR形式輸出，數(shù)據(jù)位寬為4，模式為MASTER，三態(tài)轉(zhuǎn)換位寬為4。OSERDES2原語(yǔ)輸出給XC7K325T FPGA的高性能（HP）I/O組。

圖6 OSERDES2原語(yǔ)

4 實(shí)驗(yàn)

本文利用500 MHz帶寬、5 GSa/s采樣率的示波器對(duì)基于FPGA的低噪聲三角波信號(hào)發(fā)生器輸出的三角波調(diào)制信號(hào)分別進(jìn)行幅度和噪聲電平的測(cè)試。三角波調(diào)制信號(hào)的幅度如圖7所示。

圖7 三角波調(diào)制信號(hào)的幅度

圖7中，示波器設(shè)置歐姆檔為50Ω，測(cè)得三角波調(diào)制信號(hào)的峰-峰值為1.19V。

將圖7中三角波調(diào)制信號(hào)放大，測(cè)試三角波調(diào)制信號(hào)的噪聲，如圖8所示。

圖8 三角波調(diào)制信號(hào)的噪聲圖

圖8中，三角波調(diào)制信號(hào)被放大后，顯示出其底部的噪聲電平，測(cè)得三角波噪聲幅度小于5mV。5mV的電平噪聲與1.19V的峰-峰值對(duì)比，信噪比為47 dB。

5 結(jié)論

本文利用XC7K325T FPGA和AD9783設(shè)計(jì)基于FPGA的低噪聲三角波信號(hào)發(fā)生器，并介紹了信號(hào)發(fā)生器的硬件部分和FPGA開(kāi)發(fā)。經(jīng)高頻示波器測(cè)試顯示，三角波調(diào)制信號(hào)的噪聲電平小于5 mV，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。

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Design of Low Noise Triangular Wave Signal Generator Based on FPGA

MIAO Xin

(MetaX Integrated Circuits(Nanjing) Co., Ltd., Nanjing 210000, China)

Design a low noise triangular wave signal generator based on XC7K325T FPGA logic control and AD9783 analog-to-digital conversion module. The output impedance is 50 Ω, and the level noise is less than 5 mV for a low noise triangular wave modulation signal. The actual measurement results show that compared with a dedicated signal generator, the generator outputs a triangular wave modulation signal with lower level noise, which improves the signal quality of the triangular wave signal generator.

XC7K325T FPGA logic control; AD9783 digital to analog conversion; triangular wave signal generator; triangular wave modulation signal

TP274.2

A

1674-2605(2023)04-0004-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2023.04.004

苗鑫，男，1987年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：集成電路。E-mail: the3try@163.com

：苗鑫.基于FPGA的低噪聲三角波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程,2023,44(4):19-23;27.

MIAO Xin. Design of low noise triangular wave signal generator based on FPGA[J]. Automation & Information Engi- neering, 2023,44(4):19-23;27.