一種基于FPGA和單片機的頻率監測系統設計

　　O．引言

　　本系統利用單片機和FPGA有效的結合起來(lái)共同實(shí)現等精度頻率測量和IDDS技術(shù)，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使設計變得更加容易和靈活，并具有頻率測量范圍寬、產(chǎn)生的波形頻率分辨率高及精度大等特點(diǎn)。

　　系統方便靈活，測量精度和產(chǎn)生的波形分辨率高，能適應當代許多高精度測量和波形產(chǎn)生的要求，可以在各類(lèi)測量系統和信號發(fā)生器中得到很好的利用，頻率測量在電路實(shí)驗、通訊設備、音頻視頻和科學(xué)研究中具有十分廣泛的用途。等精度測量技術(shù)具有廣闊的應用前景，由于其性能的優(yōu)越性，在目前各個(gè)測量領(lǐng)域中都可以發(fā)揮著(zhù)很好的作用，特別是在海洋勘探，太空探索以及各類(lèi)實(shí)驗中都得到了應用。

　　1．DDS信號發(fā)生器的實(shí)現

　　使用FPGA與單片機相結合的方式構成DDS信號發(fā)生器的核心部分，這是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的全數字頻率合成技術(shù)。其中FPGA完成相位累加、波形地址查找及波形輸出等功能，凌陽(yáng)16位單片機實(shí)現頻率控制字的輸入和液晶顯示部分。FPGA與單片機通過(guò)串行輸入并行輸出的方式進(jìn)行通信。其總體設計框圖如圖1所示。

　　1．1 DDS產(chǎn)生原理

　　圖2是一個(gè)基本的DDFS結構框圖。DDFS 以數控振蕩器的方式，產(chǎn)生頻率可控制的正弦波、方波、三角波，電路包括了基準時(shí)鐘源、相位累加器、相位調制器、波形ROM查找表、D／A轉換器和低通濾波器等。頻率控制字N和相位控制字M分別控制DDS所輸出的波形的頻率和正弦波的相位。

　　1．1．1 頻率部分

　　一個(gè)N位字長(cháng)的二進(jìn)制加法器的一端和一個(gè)固定時(shí)鐘脈沖取樣的N位相位寄存器相連，另一個(gè)輸入端是外部輸入的控制字M。這樣在每一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)的時(shí)候，前一次相位寄存器中的值和當前的M值相加，作為當前相位寄存器的輸出?？刂谱諱決定了相位增量，加法器不斷的對相位增量進(jìn)行線(xiàn)性累加。當產(chǎn)生一次溢出后，完成一個(gè)周期性動(dòng)作，即DDFS合成信號的一個(gè)頻率周期。

　　設基準時(shí)鐘信號為fclk，分頻值為N，累加器位數為M，相位累加器步進(jìn)值為L(cháng)，根據公式：

　　設最高頻率為20KHz，步進(jìn)為20Hz，因此累加器位數至少為10位(210=1024>20000／20)。為了保證在最高頻率下的波形在一個(gè)周期內至少有32個(gè)點(diǎn)，因此累加器至少有lO+5=15位。

　　取晶振頻率32．768MHz，可得