基于FPGA動態(tài)信號產(chǎn)生器設(shè)計
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1 背景
信號源作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的重要一員，必須滿足高精度、高速度、高分辨率等要求。作為檢查高精度雷達設(shè)備的動態(tài)信號源更需要滿足這些要求。雷達測量設(shè)備在日常維護保養(yǎng)中，由于沒有也不可能用跟蹤動態(tài)目標來完成設(shè)備性能的檢查，所以都是用信號源產(chǎn)生信號進行檢查，而信號源無法模擬實際動態(tài)信號，因此在多數(shù)情況下無法準確地檢查設(shè)備的動態(tài)性能。本文研究并實現(xiàn)了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的智能動態(tài)信號源，采用了DDS(Direct Digital Synthesis)技術(shù)。FPGA與DDS相結(jié)合的方案顯示出很多突出的優(yōu)點：高頻率分辨率；超寬的頻率范圍；能實現(xiàn)各種調(diào)制波和任意波形的產(chǎn)生；關(guān)鍵部分易于實現(xiàn)全數(shù)字化。
2 DDS原理及理論分析
2．1 DDS原理
DDS即"直接數(shù)字頻率合成"，是一種較新穎的頻率合成技術(shù)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成熟，應(yīng)用非常廣泛。這種技術(shù)的基本原理是使用高穩(wěn)定的參考時鐘源來量化抽樣時間間隔，直接對要產(chǎn)生信號進行抽樣、量化和信號映射，然后經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換和低通濾波，輸出需要的模擬信號。其原理如圖1所示。
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通常情況下累加器的位數(shù)一般都比較高，以獲取高的頻率和相位分辨率，但考慮到如下兩個原因，一般函數(shù)發(fā)生器只用N位累加器中的高M位，而舍去其低位：一是函數(shù)發(fā)生器(波形存儲器)的RAM的存儲容量有限；二是由于數(shù)／模轉(zhuǎn)換的精度限制和外界干擾的影響，隨著位數(shù)的增加，其輸出的幅度值的分辨率無法隨之無限制地增加。
2．2理論分析
2．2．1 DDS輸出頻率表達式 360°／2M (1) 2．2．2 系統(tǒng)的頻率分辨率 2．2．3 系統(tǒng)可輸出的最高頻率 3．1動態(tài)信號產(chǎn)生流程 3．2關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計 3．2．1 參考時鐘選擇 3．2．2 累加器位數(shù)選擇 取NCO相位累加器的位數(shù)為N=40。 3．3主要芯片選擇 3．3．1 FPGA芯片的選擇 Altera公司的Stratix芯片可以滿足需要。該芯片的核心電壓為1．5 V，采用O．13 μm，全銅技術(shù)制造，最大寄存器容看锏? Mb。 3．3．2 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換芯片的選擇 3．4算法設(shè)計 3．4．1 頻控碼算法 k=(fo×2N)／fc 3．4．2波形數(shù)據(jù)算法 其中，M為函數(shù)發(fā)生器數(shù)據(jù)寬度，在此為14，t為時間單位，在此為整數(shù)，取值范圍為：0，1，…，2M-1，實際上t就是函數(shù)發(fā)生的輸入地址值。 4 產(chǎn)生信號波形圖 從圖3中可以看出，輸出為5 MHz數(shù)字信號，該信號是在固定頻控碼增量條件下產(chǎn)生的。經(jīng)過多次采樣和波形比對，其頻率是變化的。由于一個周期只有5個采樣點，所以信號波形看起來不是很光滑。通過8566A頻譜分析儀觀察頻譜，產(chǎn)生的5 MHz信號的頻譜特性非常好，雜波抑制在70 dB以上，諧波抑制在45 dB以上。 5 結(jié)語
fc為參考時鐘頻率，Tc=1／fc；fo為輸出頻率，To=1／fo；k為頻率控制字，即相位增量。
設(shè)累加器的長度為N位，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個周期正弦波輸出是M位(N位中的最高M位，M
同樣，N位中的LSB相當于2π／2N弧度。該360°／2N弧度就是最小的相位增量。于是，k值對應(yīng)的相位增量就是k*2π/2N弧度。這樣，完成一個周期的正弦波輸出需要經(jīng)過2π／(K*2π／2N)個參考時鐘周期，即2N／K個周期。因此，可以得到輸出頻率的周期為：
可見，輸出頻率fo與頻率控制字k成正比。如果已知輸出頻率fo，即可算出頻率控制字k。
當k=1時，對應(yīng)輸出頻率為可輸出的最低頻率值，也就是頻率分辨率：
fo=fc／2N (4)
理論上，輸出的最高頻率主要受奈奎斯特頻率的限制。根據(jù)采樣定理，當k=2N-1時，系統(tǒng)輸出達到理論輸出的最高頻率：fo=fc／2。但在實際設(shè)計的DDS系統(tǒng)中，由于以下幾個原因，設(shè)計的最大輸出頻率必須小于fc／2：一是輸出濾波器的非理想性，一般輸出信號的最大頻率為參考時鐘頻率fc的40％左右；二是如果產(chǎn)生的是正弦信號，且輸出的頻率為采樣時鐘的一半，同時采樣點正好處于零點，則無法產(chǎn)生需要的信號。但是從以上幾點分析，DDS系統(tǒng)可以得到非常寬的頻率調(diào)節(jié)范圍，其相對帶寬為：
3 動態(tài)信號產(chǎn)生器的設(shè)計
系統(tǒng)框圖如圖2所示。動態(tài)信號產(chǎn)生器的核心部分DDS的數(shù)字部分用FPGA實現(xiàn)。同時FPGA還接收外部控制信號和產(chǎn)生用于控制整個電路工作的同步信號，向PC微機發(fā)送FPGA工作狀態(tài)。圖2中NCO，D／A轉(zhuǎn)換和濾波電路構(gòu)成了DDS電路。寄存器用來存放產(chǎn)生動態(tài)信號的頻控碼；時鐘處理電路用來產(chǎn)生采樣時鐘信號和同步信號；串口電路用來完成與微機接口的任務(wù)，接收來自于微機的控制信號和數(shù)據(jù)。NCO由鎖存器、相位累加器和波形存儲器(RAM)構(gòu)成。鎖存器作為相位增量寄存器，相位累加器用于實現(xiàn)地址的累加，用該地址信息從波形存儲器中獲取相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。波形存儲器用于存放各種波形數(shù)據(jù)，可通過計算機來產(chǎn)生多種信號波形數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)信號源的多功能化。經(jīng)過波形存儲器后，將這些數(shù)字信號進行數(shù)／模轉(zhuǎn)換得到模擬信號。最后再通過運算放大器和濾波整形電路將信號濾波、放大后輸出。
由表達式(3)可以看出，只要頻控碼k變化，則輸出頻率隨之變化，從而實現(xiàn)信號頻率的改變。
圖2中虛線內(nèi)為FPGA部分，虛線外部分主要為FPGA服務(wù)。其中存儲器完成對FPGA配置的功能；接口電路完成電平轉(zhuǎn)換功能主要是將FPGA輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS 232標準電平。
濾波器設(shè)計采用了晶體濾波器，以濾除所產(chǎn)生動態(tài)信號的相位噪聲，滿足雷達設(shè)備應(yīng)用。
由于要產(chǎn)生的信號頻率為5 MHz，由上述分析可知，參考時鐘必須大于：
在此選擇了fc=25 MHz。
累加器位數(shù)的選擇主要決定于5 MHz信號的頻率分辨率，本動態(tài)5 MHz信號產(chǎn)生器需要的分辨率為δ=8×10-5Hz，根據(jù)表達式(4)，可計算出累加器的位數(shù)N。
其中，fc=25 MHz為時鐘頻率，δ為分辨率，則相位累加器的位數(shù)為：
3．2．3 函數(shù)發(fā)生器位數(shù)選擇
函數(shù)發(fā)生器位數(shù)的選擇主要決定于輸出5 MHz信號的相位分辨率，本動態(tài)5 MHz信號產(chǎn)生器需要的分辨率為a=0．034°，則根據(jù)表達式(1)，可計算出函數(shù)發(fā)生器位數(shù)為：
取M=14。
由于頻控碼在產(chǎn)生動態(tài)信號前，需要全部裝入FPGA的RAM中，所以FPGA的RAM必須滿足一定要求。計算過程如下：
產(chǎn)生動態(tài)信號時間長度設(shè)定為500 s，每秒頻控碼為80個，所以，共有：500×80=40 000幀數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)為16位，共需寄存器的位數(shù)為：40 000×16=640 000。在NCO中還需實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器的地址寬度為14位，數(shù)據(jù)寬度也為14位，則需要的寄存器位數(shù)為：214×14=229 367。所以最終需要的寄存器位數(shù)為：640 000+229 376=869 376。
其次，F(xiàn)PGA中必須有專用時鐘處理電路，最少要有2個PLL。NCO需要的時鐘較多，且時鐘之間有嚴格的時序關(guān)系。時鐘的類型主要有：數(shù)／模轉(zhuǎn)換需要的時鐘；串口時鐘；參考時鐘；80 Hz信號。
相位累加器的位數(shù)為14位，所以D／A轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)也必須是14位的。經(jīng)過選擇比對，AD公司的AD9754數(shù)／模轉(zhuǎn)換器件可以滿足要求。該數(shù)／模轉(zhuǎn)換器具有14位精度，最大調(diào)整率為125 MSPS，片上集成了兩級輸入寄存器和參考電流源，所以設(shè)計電路簡單，操作靈活，只需要較少的外部元器件就可以完成數(shù)／模轉(zhuǎn)換功能。
AD9754為電流型輸出器件，需要進行電流電壓轉(zhuǎn)換。擬用AD公司AD9631運算放大器完成電流電壓轉(zhuǎn)換功能，該運放的單位增益帶寬在大信號情況下為175 MHz，在小信號情況下更寬。供電電壓為±5 V，輸出擺率為1 300 V／μs。
軟件設(shè)計主要包括配置FPGA、計算波形數(shù)據(jù)和頻控碼數(shù)據(jù)。同時軟件還要完成監(jiān)控顯示任務(wù)。軟件開發(fā)用VC++，操作系統(tǒng)用Windows NT。由軟件計算頻控碼并通過串口發(fā)送到FPGA的RAM中。波形數(shù)據(jù)可以以初始化文件形式寫入FPGA的RAM中，可寫入正弦波、三角波、方波等波形，還可寫入各種調(diào)制波形。不同的波形數(shù)據(jù)用函數(shù)發(fā)生器地址加以區(qū)分，這樣可隨時改變輸出信號的波形。系統(tǒng)控制命令發(fā)出后便可脫機工作。
根據(jù)表達式(3)，可以得出計算頻控碼的表達式如下：
表達式如下： 
在調(diào)試階段，利用FPGA開發(fā)板對設(shè)計進行了驗證，工作正常，波形如圖3所示。
通過產(chǎn)生的動態(tài)5 MHz信號對高精度雷達設(shè)備進行檢查，證明了本方案是可行的，能夠完成對設(shè)備動態(tài)性能的檢查，使設(shè)備的維護保養(yǎng)更具有針對性。
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