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信号发生器的FPGA设计与实现+仿真图(2)
1. 方案论证与比较
方案一:采用模拟锁相环合成技术。
模拟锁相环合成技术是一项比较成熟的技术。应用这门技术,可以将基准频率倍频或者分频得到所需要的频率,而且调节精度非常高,稳定性也很好。但是,这种模拟锁相环合成技术的模拟电路比较复杂,成本高,频率不容易调节并且调节范围小,其输出波形的毛刺也较多,不能够得到让人满意的效果。
方案二:采用专用DDS芯片。
专用DDS芯片采用特定的集成工艺,内部数字信号抖动很小,可以输出高质量的模拟信号。专用DDS芯片的功能也比较多,但控制方式却是固定的,因此不一定满足用户需求,而且专用DDS芯片价格昂贵,成本较高。
方案三:采用直接数字频率合成(DDS)技术,以
单片机
作为控制核心。
以单片机为控制核心,采用DDS技术的这种方案能实现各种波形的输出,达到较高的技术要求。但是要受到运算速度和运算位数的限制,其产生的波形往往达不到令人满意的效果,而且频率可调的范围比较小,难以得到较高的频率。另外,单片机的引脚不多,存储容量也少,因此就导致了其外围电路的复杂。
方案四:采用直接数字频率合成(DDS)技术,以FPGA器件作为控制核心。
以FPGA为核心,利用DDS技术,用相位累加器对其相位增量进行累加,然后以累加相位作为地址码,取存放于ROM中的波形数据经D/A转换和低通滤波,然后输出所需波形。DDS具有频率转换时间极短(可小于20ns),相对带宽较宽,频率分辨率很高等优点[3]。另外,DDS技术的全数字化结构便于集成,输出相位连续;频率、相位和幅度均可实现程控。虽然达不到专用DDS芯片的水平,但信号精度误差非常小,完全能够满足大多数信号源的技术要求。
分析以上四种方案的优缺点,第四种方案具有更大的优越性、灵活性。所以本论文采用第四种方案进行信号发生器的设计与实现。
2. DDS技术
DDS技术就是利用奈奎斯特采样定理,对需要产生的波形进行采样,将采样值量化后存入存储器中作为查找表;需要输出波形时,将依次从查找表中读取的数据送入D/A转换器和低通滤波器转换成符合要求的模拟信号[4]。
2.1 DDS原理
正弦信号发生器的输出波形可用下面的式子来表述:
(1)
(1)式中的表述对于时间 是连续变化的,式中 是指输出信号波形, 是指输出信号对应的频率。为了用数字逻辑实现,对相位的变化量进行离散化处理。用基准时钟 进行抽样,设正弦信号的相位为 在一个 周期 内,相位 的变化量为:
(2)
(2)式中, 为 的频率,为了对 数字化,把 分割成 份,设每个 周期的相位增量 用量化值 可表示为:
(3)
且为 整数,与(3)式的表达式联立,可得:
, (4)
由(4)式可知,相位增量量化值 与 输出频率为线性关系。当系统时钟的频率 为 时, 就等于 。显然,信号发生器的输出为:
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