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2020年02月01日 | 任意波形发生器_DDS任意波形发生器的设计
2020-02-01 来源：elecfans
任意波形发生器是现代电子测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，它的功能远比函数发生器强，可以产生各种理想及非理想的波形信号，对存在的各种波雷达、导航、宇航等领域。形都可以模拟，广泛应用于测试、通信、雷达、导航、宇航等领域。
本文介绍DDS任意波形发生器的设计。
任意波形发生器的功能
任意波形发生器既具有其他信号源的信号生成能力，又可以通过各种编辑手段产生任意的波形采样数据，方便地合成其他信号源所不能生成的任意波形，从而满足测试和实验的要求。任意波形发生器的主要功能包括：
（1）函数发生功能
基础实验中，为了验证电路功能、稳定性和可靠性，需要给它施加理想波形，任意波形发生器能替代函数发生器提供正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形，还具有各种调制和扫频能力。利用任意波形发生器的这一基础功能就能满足一般实验的信号需求。
（2）任意波形生成
出于各种干扰的存在以及环境的变化，实际运行在实际电子环境中的设备，电路中往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等。任意波形发生器可以模拟这些特殊信号，以测试系统的实际性能。
（3）信号还原功能
在一些军事、航空等领域，有些电路运行环境很难估计，在设计完成之后，在现实环境中还需要更进一步的实验验证，而有些实验的成本很高或者风险性很大（如飞机试飞时发动机的运行情况），人们不可能重复作实验来判断所设计产品的可行性和稳定性。此时，可以利用任意波形发生器的信号还原功能。在做一些高耗费、高风险实验时，可以通过数字示波器把现实中的实际波形记录下来，再通过计算机接口下载到任意波形发生器，通过任意波形发生器还原实验中的实际做进一步的实验验证工作。
硬件结构说明
设计过程
在本系统中，DDS是任意波形实现的技术关键，其核心为相位累加器（全加器与数字寄存器）与ROM波形查询表构成。那么我们设计DDS的框图如下
建立一个模块实现从单片机接收来的频率控制字的寄存功能，作为寄存器。全加器实现20位的相位累加，通过频率控制字作为步长进行控制。由于FPGA内输出位数有限，因此建立一个模块进行高位截断，只取高十位，接收累加器输出的数据。然后再通过波形ROM完成波形的查找与输出。这部分为固定的正弦波、三角波、方波与锯齿波等常规波形的输出部分。任意波形部分，则需要一个能随时接受数据更新的RAM，其数据的写入由单片机控制，接收上位机的下传数据，其数据的读取由DDS中的地址发生器控制，这样即可产生任意波形输出。
固定波形输出
在FPGA内部实现高速的多位数相位累加器，输出地址信号，控制读出波形存储器中存放的波形幅度数字信号。通过改变相位累加器的相位增量M，即地址间隔的改变，控制读出波形存储器一个周期正弦波幅值的数目，达到输出频率的控制。其输出的频率为
，其中fclk为系统时钟频率，N为相位累加器的位数，M为相位增量--频率控制字，由公式可知fout与肘成正比，控制M就可以控制输出的频率。如要频率步进为l0Hz，则要求
。
保证在输出最高频率输出时有32个点的波表数据输出，则要求时钟为3．2MHz。将50MHz的时钟10分频，得到5MHz的信号作为累加器的计数信号。则fclk=5MHz，2N=500000，因此，N可取20，2N=1048576。则fout=-4．77M，M=0.21fout。利用计算机输入要输出的频率，发送到单片机，单片机将对接收到的数据进行预算处理后发送给FPGA。
频率输入电路如图所示，接收8位的频率字长，输出为20位。
下面为STC89C52RC与EPlC3T144C8的接口程序，用控制字：
加法器
加法器为20位，自动累加，它以设定的频率控制字k作为步长来进行加法运算，当其和满时清零，并进行重新运算。电路图如下：
程序如下：
高十位寄存器
实现数据输入为20位，输出为10位，实现高位截断。程序为：
波形ROM及选择
本设计使用几个8bit的ROM，存储深度为1024点，用来存储正弦波等波形数据。每个波形数据存储在一个固定的ROM里，如下图。其中SineROM为正弦波存储模块，SquareROM为方波存储模块，Triangle-ROM为三角波存储模块，SwtoothROM为锯齿波存储模块。它们通过一个使能模块控制，采取低电平有效的方式，选择性读取任意模块的波形。一般每个模块都为高电平状态，即为不工作状态。每次输出波形时，仅有单独一个ROM_T_作（即工作模块为低电平，其他模块均为高电平），这样不仅保证可以按照需要输出固定波形，还可以避免波形输出发生非控制性的混杂。使能模块的输入端为行列式键盘，键盘中每一键单独使用，当某一键按下，则对应某一波形输入。因为4×4的键盘输出线为8位，仅为一根，因此输入端设为一根8位输入端口。通过设定，实现单键控制某～波形输出。本设计仅设定了4个固定波形ROM输出，即正弦波、方波、三角波和锯齿波，因此使能模块的选择输出线为4条，若增加新波形模块，可以更改输出端口的数量，进行扩展。
时钟分频
时钟分频电路如下，所以模块在同步时钟下协调工作，电路图如下：
程序如下：
任意波形输出
关于根据需要而产生的任意波形的设计如下：因为该任意波形是由上位机下传的波形数据，由单片机控制，所以必须设计一个能随时接受数据更新的RAM。数据传至任意波形的寄存器里，然后便可实现任意波形的输出。
选用的DA转换器为8位，所以RAM的字长也为8位，因此波形RAM的地址线的位数取lO位。为了实现任意波形数据的更新，波形RAM设计成为双口RAM。
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