基于FPGA的IRIG-B編碼器的設(shè)計(jì)

4.2 IRIG-B AC編碼模塊

4.2.1 數(shù)字調(diào)制原理

按照奈奎斯特抽樣定理，只要抽樣頻率高于2倍信號(hào)的最高頻率，則整個(gè)連續(xù)信號(hào)就能完全用它的抽樣值來(lái)代表。使用抽樣值構(gòu)成的序列經(jīng)DAC和低通濾波后即可恢復(fù)原來(lái)的連續(xù)信號(hào)。

若對(duì)頻率為f的正弦波抽樣N次(N>2f)，并在T=1／f內(nèi)通過(guò)DAC等間隔輸出N次抽樣值，則低通濾波后可恢復(fù)原始正弦信號(hào)。各個(gè)采樣點(diǎn)值為：

Ck=Asin(ωkt)=Asin[ωk(T／N)] (1)

式中：ω=2πf；f為信號(hào)頻率。則式(1)變?yōu)椋?p>Ck=Asin[2πfk(T／N)]=Asin(2kπ／N) (2)

4.2.2 正弦查找表

這里給出利用查找表實(shí)現(xiàn)交流數(shù)字調(diào)制的方法。在獲得IRIG-B的直流編碼后，將該信號(hào)導(dǎo)入到數(shù)字調(diào)制模塊，即可獲得交流編碼。對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行100次等間隔抽樣，對(duì)式(2)使用實(shí)際的增益和直流偏移，可得式(3)。據(jù)此獲得查找表。

Ck=Acsin(2πk／N)+A0 (3)

式中：N=100為采樣率；k=0，1，2，…，N-1；Ck對(duì)應(yīng)第k次抽樣獲得的值；A0為保證輸出信號(hào)為單極性而設(shè)置的初始直流偏移；Ac為考慮調(diào)制比和DAC滿幅度碼值的系數(shù)。

由于交流信號(hào)頻率為1 kHz，周期為T(mén)=1 ms，若在1 ms內(nèi)將上述抽樣值等間隔輸出到DAC，即可獲得1 kHz的調(diào)制信號(hào)。

本文使用MAX5712和單電源rail-rail運(yùn)放AD8601構(gòu)成濾波器。在MAX5712滿幅輸出時(shí)，C=4 095(12 bit DAC)，選擇調(diào)制比為1：5。綜合考慮，在最大輸出時(shí)，不能使DAC輸出到達(dá)運(yùn)放的上軌，最低輸出時(shí)，DAC輸出應(yīng)高于運(yùn)放的下軌，所以選取A0=C／2+200=2 248。對(duì)應(yīng)邏輯0，Ac=461；對(duì)應(yīng)邏輯1，Ac=1 844。根據(jù)上述原則計(jì)算出的正弦查找表如表1所示。

實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用DAC的解析度、運(yùn)放的動(dòng)態(tài)范圍以及采樣率及調(diào)制比確定上式中的參數(shù)。

4.2.3 DAC接口

實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)DAC的不同，在FPGA中構(gòu)建不同的數(shù)字接口。MAX5712需要在FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)SPI接口，結(jié)構(gòu)如圖4所示。接口控制部分提供一個(gè)16 b寫(xiě)端口，可以接收數(shù)據(jù)。在寫(xiě)使能wren為高時(shí)，接口上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)部并行保持寄存器。在LDAC脈沖的上升沿，并行寄存器THR的內(nèi)容寫(xiě)入移位寄存器，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)鐘邏輯。在輸出時(shí)鐘作用下，數(shù)據(jù)從Dout輸出到DAC，在SPI_CS的后沿，DAC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸出與當(dāng)前編碼相匹配的模擬量。

4.2.4 交流調(diào)制方法

把按照第4.2.1節(jié)方法生成的正弦查找表生成Altera mif文件，再例化一個(gè)M4K ROM，使用上述文件作為ROM的初始化文件。建立一個(gè)周期為10μs的定時(shí)器和一個(gè)地址計(jì)數(shù)器。地址計(jì)數(shù)器和定時(shí)器在B碼直流信號(hào)的變化沿復(fù)位，定時(shí)器溢出后啟動(dòng)地址計(jì)數(shù)器。或者把邏輯0對(duì)應(yīng)的查找表放在ROM的上半部，如果把邏輯1對(duì)應(yīng)的查找表放在ROM的下半部，且輸入的直流B碼信號(hào)作為地址的高位，則此時(shí)刻對(duì)應(yīng)的ROM輸出即為DAC的調(diào)制輸出，ROM查找表VHDL的代碼實(shí)現(xiàn)如下：

其中：B為來(lái)自編碼器中IRIG-B的直流編碼；AQC為地址計(jì)數(shù)器；ddata為輸出到DAC的數(shù)字調(diào)制輸出。由于查找表是按照對(duì)正弦信號(hào)做100次等間隔采樣形成的，交流載波為1 kHz。所以AQC每隔10μs自加1，順序輸出100個(gè)編碼值，在B碼的每個(gè)變化邊沿復(fù)位。

按上述方法設(shè)計(jì)的數(shù)字調(diào)制模塊，用示波器測(cè)得輸出波形如圖5所示。