基于直接數字頻率合成的可編程遙測信號源

摘要：針對傳統的遙測信號源缺乏靈活可配置性、通用性差的問(wèn)題，提出采用FPGA和DDS技術(shù)為核心設計靈活可配置的可編程遙測信號源。該信號源的硬件電路主要由低成本FPGA芯片和DDS芯片組成，采用Verilog語(yǔ)言進(jìn)行編程，使FPGA控制核心輸出不同的相位、頻率、波形等控制字信息給DDS芯片，經(jīng)DDS芯片后輸出所需波形。仿真表明，該信號源能夠輸出頻率范圍在0～12．5 MHz的頻率、相位可調的正弦波、三角波、方波等波形信號，具有一定的通用性。
關(guān)鍵詞：遙測；信號源；DDS；FPGA

0 引言
遙測信號源的主要功能是模擬彈載遙測信息。從技術(shù)實(shí)現上，可將信號源分為模擬信號源、數字信號源和DDS信號源。其中DDS信號源是現代信號源的發(fā)展方向。DDS技術(shù)(直接數字頻率合成)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率合成法，具有可編程、易于實(shí)現各種數字化調制(如PSK，FSK等高精度的數字調制)，頻率分辨率高、轉換速度快、穩定度高，相位噪聲低以及集成度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著(zhù)遙測技術(shù)的發(fā)展，遙測產(chǎn)品逐漸呈現出小型化、標準化、系列化等應用需求。因此，為滿(mǎn)足應用需求，遙測信號源必須能夠提供多樣的被測信號類(lèi)型，根據被測模塊參數的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，實(shí)現一一對應。而傳統的遙測信號源在設計上缺乏靈活性、通用性，被測參數的多樣性和實(shí)時(shí)性差，無(wú)法滿(mǎn)足遙測產(chǎn)品的發(fā)展需求。針對這一點(diǎn)，本文提出了以FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)和DDS專(zhuān)用芯片為核心的可編程遙測信號源。

1 FPGA及DDS基本工作原理
一般傳統的信號源都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來(lái)產(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率。這種信號源輸出波形單一，且頻率穩定度和準確度較差，因此傳統的信號源已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代遙測產(chǎn)品的測量需要。而采用DDS技術(shù)設計的遙測信號源可以滿(mǎn)足波形多樣化，頻率、相位靈活可配置的要求，且頻率穩定度高。
1．1 FPGA
FPGA是一種高密度的可編程邏輯器件。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，FPGA的邏輯規模已經(jīng)從最初的1000個(gè)可用門(mén)發(fā)展到現在的1000萬(wàn)個(gè)可用門(mén)，采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行設計，在寫(xiě)激勵和建模方面存在很大優(yōu)勢。FPGA的基本組成部分有可編程輸入／輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線(xiàn)資源、底層嵌入功能單元和內嵌專(zhuān)用硬核等。FPGA器件在結構上由邏輯功能塊排列為陣列，通過(guò)可編程的內部連線(xiàn)連接這些功能塊來(lái)實(shí)現一定的邏輯功能。由于FPGA器件集成度高，開(kāi)發(fā)和上市周期短，在數字設計和電子生產(chǎn)中得到迅速普及和應用，曾在高密度的可編程邏輯器件領(lǐng)域中獨占鰲頭。
Altera公司是目前市場(chǎng)上生產(chǎn)FPGA芯片的主要供應商之一，為用戶(hù)提供了完善的開(kāi)發(fā)系統和良好的售后支持服務(wù)，有著(zhù)成熟的系列產(chǎn)品。該公司的可編程邏輯產(chǎn)品可以分為高密度FPGA、低成本FPGA和CPLD等三類(lèi)。相對于低成本FPGA來(lái)說(shuō)，高密度FPGA主要用于中高端的路由器和交換機中，價(jià)格相對偏高，CPLD雖然價(jià)格較低，但布線(xiàn)資源有限，無(wú)法適用于電路復雜的時(shí)序功能設計。Cyclone(颶風(fēng))系列是Altera公司推出的一款低成本FPGA，主要定位在大量且對成本敏感的設計中。Cyclone EP1C6是Altera推出的一款高性?xún)r(jià)比FPGA，工作電壓為3．3 V，內核電壓為1．5 V，其密度為5980個(gè)邏輯單元，包含20個(gè)128×36 b的RAM塊(M4K模塊)，總的RAM空間達到92 160 b，內嵌2個(gè)鎖相環(huán)電路和一個(gè)用于連接SDRAM的特定雙數據率接口。
1．2 DDS及其芯片
DDS采用了不同于傳統頻率合成方法的全數字結構。它最初是在20世紀70年代由美國學(xué)者J．Tierncy等人提出的，它是繼直接頻率合成和間接頻率合成之后，隨著(zhù)數字集成電路和微電子技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)的第三代頻率合成技術(shù)。DDS是指從相位量化概念出發(fā)直接合成所需波形，有效地解決了許多模擬合成技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題。
DDS是建立在采樣定理基礎上，首先對需要產(chǎn)生的波形進(jìn)行采樣，將采樣值數字化后存入存儲器作為查找表，然后通過(guò)查表讀取數據，再經(jīng)D／A轉換器轉換為模擬量，將保存的波形重新合成出來(lái)。DDS基本原理框圖如圖1所示。