基于AVR和FPGA高精度數(shù)字式移相發(fā)生器的設(shè)計

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作者：時間：2007-12-20 來源：

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  技術(shù)方案與實用技巧

　　1 引言

　　移相信號發(fā)生器屬于信號源的一個重要組成部分，但傳統(tǒng)的模擬移相有許多不足，如移相輸出波形易受輸入波形的影響，移相角度與負載的大小和性質(zhì)有關(guān)，移相精度不高，分辨率較低等。而且，傳統(tǒng)的模擬移相不能實現(xiàn)任意波形的移相，這主要是因為傳統(tǒng)的模擬移相由移相電路的幅相特性所決定，對于方波、三角波、鋸齒波等非正弦信號各次諧波的相移、幅值衰減不一致，從而導致輸出波形發(fā)生畸變。目前利用DDS技術(shù)產(chǎn)生信號源的方法得到了廣泛的應用，但是專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝，內(nèi)部數(shù)字信號抖動很小，不可以輸出高質(zhì)量的模擬信號。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨單片機和可編程技術(shù)的發(fā)展而興起的數(shù)字移相技術(shù)卻很好地解決了這一問題。在眾多的單片機之中，AVR 單片機是目前最新單片機系列之一，其突出的特點在于速度高、片內(nèi)硬件資源豐富等。以FPGA為核心的PLD產(chǎn)品，是近幾年集成電路中發(fā)展最快的產(chǎn)品。采用FPGA芯片，可并行處理多項任務，其高速性能好(執(zhí)行速度達到納秒級)，純硬件系統(tǒng)的可靠性高。利用FPCA實現(xiàn)DDS能很好地解決專用DDS芯片的諸多缺點，他可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復雜的調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，具有良好的實用性。

　　本文結(jié)合AVR系列單片機ATmega16和采用FPGACyclone器件實現(xiàn)DDS的一種數(shù)字式移相信號發(fā)生器設(shè)計新方案。該方案具有靈活可變的特點，更重要的是可以和其他功能模塊組合擴展為任意信號發(fā)生器。

　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計及實現(xiàn)

　　圖1是系統(tǒng)總體方案設(shè)計示意圖，他包括鍵盤按鍵控制部分，單片機系統(tǒng)部分，F(xiàn)PGA部分，以及幅度控制和D/A轉(zhuǎn)換電路。單片機采用ATmega16，他根據(jù)矩陣式鍵盤輸入給FPGA送出頻率控制字與相位控制字，用于設(shè)定輸出正弦波的頻率與相位。高速D/A轉(zhuǎn)換器用于正弦波的DA轉(zhuǎn)換，利用單片機的幅度控制字來控制他的參考電壓可以達到數(shù)字調(diào)幅的目的。FPGA構(gòu)成DDS的核心部分，用于接收送來的頻率字與相位字，同時給DA轉(zhuǎn)換器輸出正弦波數(shù)據(jù)。采用字符型液晶1602A顯示屏實時顯示輸出的頻率與相位。

　　2.1 單片機與FPGA間的通信

　　ATmega16的同步串行接口允許在芯片和外設(shè)之間，或幾個AVR單片機之間，以與標準SPI接口協(xié)議兼容的方式進行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)中，ATmega16只負責發(fā)送數(shù)據(jù)，不需要接收數(shù)據(jù)，故設(shè)置為主機工作模式。圖2為單片機與FPGA通過SPI通信的框圖。

　　2.2 數(shù)控移相信號發(fā)生器設(shè)計

　　DDS的主要思想是從相位的概念出發(fā)合成所需的波形，他的基本原理框圖如圖3所示。他采用了相位累加振蕩方法的直接數(shù)字合成系統(tǒng)，把正弦波在相位上的精度定為N位，得分辨率為1/2N。用時鐘頻率fclk一次讀取數(shù)字相位圓周上各點作為地址，對出相應ROM中的正弦波的幅度值，然后經(jīng)DAC重構(gòu)正弦波。相位累計器的作用是讀取數(shù)字相位圓周上各點時可以每隔M個點讀一個數(shù)值，從而得到輸出正弦波頻率fsin為：

　　基于DDS的數(shù)字移相信號發(fā)生器是整個系統(tǒng)的設(shè)計核心部分，其電路模型圖如圖4所示。這部分完全是由VHDL語言設(shè)計，并在FPGA Cyclone器件上實現(xiàn)的。電路要求能輸出2路正弦信號，由2路10位D/A實現(xiàn)波形輸出。信號頻率能通過輸入的8位頻率控制字同步控制;其中一路作為參考信號，另一路是可移相的信號，可通過輸入的8位相位控制字控制。其中“FWORD”是8位頻率控制字，控制輸出波形信號的頻移量;“PWORD”是8位相移控制字，控制輸出波形的相移量;ADDER32B及AD-DER10B分別為32位和10位加法器;SIN_ROM是存放波形數(shù)據(jù)的ROM，10位數(shù)據(jù)線，10位地址線(數(shù)據(jù)和地址線最大可以到32位)，其中正弦波數(shù)據(jù)文件是后綴為mif的文件，可由C程序直接生成。REG32B和REG10B分別是32位和10位寄存器;POUT和FOUT為8位輸出，可以分別與兩個高速D/A連接，輸出參考信號和可移相波形信號。

　　2.3 嵌入式鎖相環(huán)的設(shè)計

　　當輸出波形頻率較高時，由于采樣一個完整周期的波形數(shù)據(jù)點數(shù)減少，勢必引起波形失真，要消除波形失真，一是可以增加采樣波形數(shù)據(jù)的點數(shù)，二是提高系統(tǒng)的主工作時鐘頻率。若不增加外配ROM的情況下，可以使用后一種方法。本系統(tǒng)設(shè)計時在充分利用FPGA的存儲空間的情況下，為了提高波形的輸出頻率(在不失真的條件下)，還使用了Cyclone器件中的嵌入式鎖相環(huán)，提高系統(tǒng)的主工作時鐘頻率，在實際工作時的主時鐘頻率達120 MHz。其在QuartusⅡ下的仿真圖如圖5所示。