基于FPGA的三相函数信号发生器设计
[10-21 14:24:02] 来源：http://www.592dz.com EDA/PLD 阅读：9325次
概要：0 MHz、幅度0．1～10 V，分辨率为1°，频率和幅度的调节均可程控的三相函数信号发生器。系统还具有输出灵活、易于系统升级等优点。1 函数信号发生器的原理基于DDS原理，频率控制字M和相位控制字P分别控制DDS输出波形的频率和相位。相位累加器是整个波形产生的核心，它有一个累加器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M增加，如图1所示。相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为波形查找表的地址。波形查找表由ROM构成，内部存有一个完整周期的波形的数字幅度信息，每个查找的地址对应波形中0°～360°范围的一个相位点。查找表输入的地址信息映射达成波形幅度信号，同时输出到数模转换器的输入段，DAC输出的模拟信号经过程控滤波器，可得到一个频谱纯净的波形。相位寄存器每经过2N／M个fc时钟周期后回到初始装状态，相应地波形查表经过一个循环回到初始位置，DDS输出一个波形。输出的波形周期为Tout=(2N／M)Tc，频率为DDS的最小分辨率为fmin=fc／2N，当M=2N-l(即一个周期内只取两个点)时，DDS最高的基波合成频率为foutmax=fc／2，根据取样定理，这在理论上是可行的，考虑到失真度的问题，取i(i>2)个点，则最高频率为当M=2N-3时，fou
基于FPGA的三相函数信号发生器设计,http://www.592dz.com摘要：基于FPGA的三相函数信号发生器以DDS为核心，在Altera公司CycloneⅡ系列EP2C8T144C8上实现正弦波、方波、三角波和锯齿波信号的产生，利用单片机PICl8F4550控制波形的频率及相位差。同时单片机通过DAC0832控制波形数据转换DAC902参考电压实现在波形幅度的控制，D／A输出的波形经过放大、滤波后输出。波形参数的输入输出通过触摸屏和液晶屏实现，测试结果显示该系统具有较高的精度和稳定性。
模拟函数信号发生器输出波形易受输入波形的影响，难以实现移相控制，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移，频率、幅度的调节均依赖电位器实现，因此精度难以保证，也很难达到满意的效果。基于FPGA的数字式三相信号发生器，精度较高，移相控制方便，实现频率为1 Hz～10 MHz、幅度0．1～10 V，分辨率为1°，频率和幅度的调节均可程控的三相函数信号发生器。系统还具有输出灵活、易于系统升级等优点。
1 函数信号发生器的原理
基于DDS原理，频率控制字M和相位控制字P分别控制DDS输出波形的频率和相位。相位累加器是整个波形产生的核心，它有一个累加器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M增加，如图1所示。相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为波形查找表的地址。波形查找表由ROM构成，内部存有一个完整周期的波形的数字幅度信息，每个查找的地址对应波形中0°～360°范围的一个相位点。查找表输入的地址信息映射达成波形幅度信号，同时输出到数模转换器的输入段，DAC输出的模拟信号经过程控滤波器，可得到一个频谱纯净的波形。
相位寄存器每经过2N／M个fc时钟周期后回到初始装状态，相应地波形查表经过一个循环回到初始位置，DDS输出一个波形。输出的波形周期为Tout=(2N／M)Tc，频率为
DDS的最小分辨率为fmin=fc／2N，当M=2N-l(即一个周期内只取两个点)时，DDS最高的基波合成频率为foutmax=fc／2，根据取样定理，这在理论上是可行的，考虑到失真度的问题，取i(i>2)个点，则最高频率为当M=2N-3时，foutmax=fc／i。
2 系统总体设计
系统由单片机控制模块、FPGA波形产生模块、数模转换模块、滤波输出模块、触摸屏输入和液晶显示模块组成，单片机控制FPGA产生输入频率和相位差的三相正弦波、方波、三角波和锯齿波，经过D／A转换后滤波输出，三相波形的幅度也由单片机通过改变D／A的参考电压控制。具体系统框图，如图2所示。
FPGA部分具体框图，如图3所示，基于DDS原理，主要由相位累加器、正弦波ROM查找表、方波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器和波形选择模块组成。根据单片机设置相移值调整三相波形的相位差，波形选择也由单片机控制。
2．1 分频模块设计
为了对波形频率精确控制，不同频率段需要不同的输入频率。项目设计中采用50 MHz外部有源晶振，利用FPGA内部锁相环将频率锁定在40．96 MHz，然后该频率进行10 MHz，100 MHz，1 000 MHz，10 000 MHz，如图4所示，这样就得到了5个不同的频率区间，最后通过5选1数据选择器由单片机选择所需要的时钟频率。时钟频率与输出波形频率之间具体关系，如表l所示。
2．2 波形产生模块设计
2．2．1 正弦波
正弦波的数据需要转换为*．mif文件后存放到ROM中，mif文件有固定格式规定了每个字的位宽WIDTH、总字数DEPTH、地址进制基数ADDR-ESS_RADIX和数据进制基数DATA_RADIX。在Matlab环境中编程计算出正弦波数据，然后生成mif文件。
EP2C8T144C8拥有较充裕的存储空间。因此，设计中为了提高精度在ROM中存放4 096个正弦数据，频率控制字、相位控制字由单片机控制产生，经过相位累加器组成地址发生器，产生的地址连到ROM的地址线上进行查表得到波形数据。
2．2．2 方波
方波算法比较容易实现。由于其只有高低电平两种状态。因此，只需要在一个周期的时间中间位置翻转电平即可。由于相位累加器的值是线形累加的，地址address的值也是线形累加的，对所给地址值address进行判断，当地址值的最高位为O时，便将波形幅值各字位赋值1，否则赋值0。就可以实现最简单的占空比50％的方波。
- 最新《EDA/PLD》