基于SOPC的任意波形發(fā)生器

摘要：本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于SOPC的任意波形發(fā)生器，不僅可以合成正弦、余弦、方波、三角波和鋸齒波等常見(jiàn)波形，還可以通過(guò)PC端軟件編輯任意波形數(shù)據(jù)，并下載到以Nios II嵌入式微處理器為核心的SOPC系統(tǒng)上用于產(chǎn)生任意波形，具有控制靈活，輸出頻率穩(wěn)定、準(zhǔn)確，波形質(zhì)量好和輸出頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成；可編程片上系統(tǒng)；NIOSⅡ

Arbitrary Waveform Generator Based on SOPC

　　Abstract：This paper describes an arbitrary waveform generator (AWG) based on SOPC, which can not only synthesize sine waveforms, cosine waveforms, square waveforms, triangle waveforms, sawtooth waveforms and other common waveforms, but also generate arbitrary waveforms with data edited and downloaded by PC software. It has advantages of easy control, stable output frequency, high quality waveform and wide bandwidth.
Keywords：DDS；SOPC；NIOSⅡ

1、引言

　　本設(shè)計(jì)采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，通過(guò)基于NIOSⅡ的SOPC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)任意波形發(fā)生器。DDS技術(shù)是一種新穎的頻率合成技術(shù)，具有易于程控，相位連續(xù)，輸出頻率穩(wěn)定度高，頻率轉(zhuǎn)換速度快和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，DDS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，已成為最重要的頻率合成技術(shù)。SOPC（system on a programmable chip）可編程片上系統(tǒng)[1-2]是一種靈活、高效的SOC解決方案。它具有雙重含義：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減，可擴(kuò)充，可升級(jí)，并具有軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。本設(shè)計(jì)通過(guò)Altera公司的NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)SOPC。

2、采用DDS的任意波形發(fā)生器

　　采用DDS技術(shù)的任意波形發(fā)生器用高速存儲(chǔ)器作為查找表，通過(guò)高速D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)合成出存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形。所以它不僅能產(chǎn)生各種常見(jiàn)波形，而且還可以利用各種編輯手段，產(chǎn)生傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器所不能產(chǎn)生的任意波形。DDS的基本原理如圖1所示[3]。

　
圖1　DDS的基本原理框圖

　　圖中的參考時(shí)鐘源是一個(gè)穩(wěn)定的晶體振蕩器，用它來(lái)同步合成器的各組成部分。相位累加器類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器，它由加法器和寄存器組成。在每一個(gè)參考時(shí)鐘脈沖輸入的時(shí)候，它的輸出就增加一個(gè)步長(zhǎng)的相位增量值（二進(jìn)制編碼）。這樣累加器把頻率控制字FSW（Frequency Setting Word）的數(shù)據(jù)變換成相位抽樣來(lái)確定輸出合成頻率的大小。相位增量的大小隨外指令的變化而變化，一旦給定了相位增量，輸出頻率也就確定了。當(dāng)用這樣的數(shù)據(jù)尋址時(shí)，正弦查找表就把存儲(chǔ)在相位累加器中的抽樣數(shù)字值轉(zhuǎn)換成近似正弦波幅度的數(shù)字量函數(shù)，然后D/A變換器把數(shù)字量變成模擬量。低通濾波器進(jìn)一步平滑近似正弦波的鋸齒階梯，并衰減不需要的抽樣分量和其他雜散信號(hào)。DDS系統(tǒng)除了D/A轉(zhuǎn)換和濾波器之外全都是數(shù)字集成電路，因此系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)集成化和小型化。

　　DDS輸出頻率和其他一些參數(shù)之間的關(guān)系如下：

　　fs：系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)時(shí)鐘周期為Ts；

　　fo：輸出波形頻率，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)周期為To；

　　FSW：頻率控制字，其值用Pfsw表示。

　　設(shè)相位累加器的長(zhǎng)度是N位，控制波形存儲(chǔ)器產(chǎn)生一整周正弦波輸出是W位（N位中的最高W位，W<N）。顯然，2w相當(dāng)于360o（2π rad），因此W位中的MSB〔最高位有效位)相當(dāng)于180o (π rad); W位中的LSB(最低有效位)相當(dāng)于360o（2π /2W rad)。同樣，N位中的LSB相當(dāng)于2π /2N rad。這個(gè)2π /2N rad就是最小的相位增量。于是， Pfsw對(duì)應(yīng)的相位增量就是Pfsw