引言

遙測信號源的主要功能是模擬彈載遙測信息。從技術實現上，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展方向。DDS技術（直接數字頻率合成）是近年來迅速發展起來的一種新的頻率合成法，具有可編程、易于實現各種數字化調制（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點。近年來，隨著遙測技術的發展，遙測產品逐漸呈現出小型化、標準化、系列化等應用需求。因此，為滿足應用需求，遙測信號源必須能夠提供多樣的被測信號類型，根據被測模塊參數的變化進行實時調整，實現一一對應。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時性差，無法滿足遙測產品的發展需求。針對這一點，本文提出了以FPGA（現場可編程門陣列）和DDS專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產生正弦振蕩，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越來越不能滿足現代遙測產品的測量需要。而采用DDS技術設計的遙測信號源可以滿足波形多樣化，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。經過20多年的發展，FPGA的邏輯規模已經從最初的1000個可用門發展到現在的1000萬個可用門，采用Verilog HDL語言進行設計，在寫激勵和建模方面存在很大優勢。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、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內嵌專用硬核等。FPGA器件在結構上由邏輯功能塊排列為陣列，通過可編程的內部連線連接這些功能塊來實現一定的邏輯功能。由于FPGA器件集成度高，開發和上市周期短，在數字設計和電子生產中得到迅速普及和應用，曾在高密度的可編程邏輯器件領域中獨占鰲頭。

Altera公司是目前市場上生產FPGA芯片的主要供應商之一，為用戶提供了完善的開發系統和良好的售后支持服務，有著成熟的系列產品。該公司的可編程邏輯產品可以分為高密度FPGA、低成本FPGA和CPLD等三類。相對于低成本FPGA來說，高密度FPGA主要用于中高端的路由器和交換機中，價格相對偏高，CPLD雖然價格較低，但布線資源有限，無法適用于電路復雜的時序功能設計。Cyclone（颶風）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推出的一款高性價比FPGA，工作電壓為3．3 V，內核電壓為1．5 V，其密度為5980個邏輯單元，包含20個128×36 b的RAM塊（M4K模塊），總的RAM空間達到92 160 b，內嵌2個鎖相環電路和一個用于連接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，隨著數字集成電路和微電子技術迅速發展起來的第三代頻率合成技術。DDS是指從相位量化概念出發直接合成所需波形，有效地解決了許多模擬合成技術無法解決的問題。

DDS是建立在采樣定理基礎上，首先對需要產生的波形進行采樣，將采樣值數字化后存入存儲器作為查找表，然后通過查表讀取數據，再經D／A轉換器轉換為模擬量，將保存的波形重新合成出來。DDS基本原理框圖如圖1所示。

目前AD公司是主流DDS芯片市場的最大供應商，它提供的眾多DDS集成芯片以其較高的性價比取得了極為廣泛的應用。AD公司的DDS產品主要有AD983X，AD985X和AD995X三大系列。對于AD985X系列來說，其系列產品雖然性能較好但是功耗偏高，而AD995X系列雖然功耗較低，但其價格高于AD983X系列，AD983X系列是低價格低功耗型產品。在AD983X系列中。AD9833的最大功耗僅為20 mW。同時，AD9833還具有外圍電路簡單、頻率和相位可編程等特點。AD9833通過3線SPI串口進行寫操作，內部有5個可編程寄存器，其中包括1個16位控制寄存器，2個28位頻率寄存器和2個12位相位寄存器。用戶可以通過16位控制寄存器設置所需的功能。AD9833的模擬輸出為fout：

fout=（fCLK／228）×FREQREG （1）

式中FREQREG為所選頻率寄存器中的頻率字。

信號相移為pout：

pout=（2π／4 096）×PHASEREC （2）

式中PHASEREC為所選相位寄存器中的相位字。

2、基于FPGA和DDS芯片的可編程遙測信號源

傳統的遙測信號源在設計上可編程性差，在很大程度上影響了其靈活型和通用性，同時也造成了資源的嚴重浪費。而本方案的設計具有較強的可編程性，可以靈活配置，通用性較強，大大節約了資源成本。

該遙測信號源的硬件電路主要由低成本FPGA和DDS專用芯片構成，軟件采用Verilog語言編程。對于軟件部分來說，該信號源的控制接口和控制字編程是軟件編程的重要部分。FPGA控制接口通過編程實現串口通信協議，預設控制字必須按照控制接口的通信協議串行輸出給DDS專用芯片，DDS芯片才能接收控制字信息，并根據接收到的控制字信息輸出所需的波形。

2．1 遙測信號源的硬件構成

遙測信號源主要包括以下三個組成部分。

（1）按鍵電路。它主要是向FPGA部分輸送控制信息。一部分按鍵提供波形選擇信息，另一部分提供需要輸出波形的頻率信息。

（2）系統FPGA控制核心。FPGA是系統的核心控制部分。當FPGA接收到按鍵信息后，發送相應的控制信息給DDS芯片。通過程序設計，FPGA芯片EP1C6T144可實現靈活配置。

（3）DDS電路。該部分主要采用AD9833芯片來搭建外圍電路。根據接收到的FPGA控制信息產生所需波形信號，并將其輸出。

系統總體框圖如圖2所示。

在該系統中，用戶可通過波形選擇按鍵輸出默認頻率的正弦波、三角波、方波等波形，如果在使用的過程中，需要輸出不同頻率的波形，則可以通過頻率選擇按鍵來實現。在FPGA控制模塊中，當FPGA接收到數據或狀態改變的信息后，所設置的相應的變量賦值會發生相應的改變，然后將相應的控制字輸出給AD9833芯片，AD9833接收到控制字后通過直接數字頻率合成，最終輸出所需的波形。

2．2 遙測信號源的控制接口

DDS芯片AD9833為3線SPI接口，對于一些微處理器來說可以直接與其連接，但對于FPGA來說，必須通過對SPI協議進行編程實現。因此在FPGA控制中，對SPI進行了模塊化設計，無論是相位控制字輸出還是頻率控制字的輸出都需經過SPI模塊后，根據SPI協議進行輸出。FPGA控制原理框圖如圖3所示。

在FPGA中，首先接收到外部的按鍵信息，按鍵狀態或數據模塊被觸發，根據該模塊提供的信息，在相位、頻率控制模塊內，對相應的寄存器（preq0，fdreq0，fhreq0）進行賦值，完成相位及頻率控制字的配置，并輸入到SPI模塊，通過SPI模塊進行SPI協議輸出給AD9833，控制輸出必須滿足AD9833的時序控制，時序如圖4所示。

在串行時鐘輸入SCLK（spiclk）的控制下，SCLK為高，使能信號FSYNC（spics）為低時，SDATA（spido）輸出）開始輸入數據，數據以16位字的形式寫入AD9833。FSYNC可以在多組16個SCLK脈沖期間保持低電平，傳輸連續的16位字流，等到數據傳輸完畢后在最后一個字的第16個SCLK下降沿變高。

2．3 遙測信號源的軟件控制字

對于靈活可配置，通用性強的遙測信號源來說，其頻率、波形等參數的實時變化是必不可少的。而系統要實現這些參數的實時變化，就必須將控制字進行相應的改變。如正弦波的控制字為十六進制數0008，三角波的控制字為十六進制數000A，方波的控制字十六進制數0028。

由AD9833模擬輸出頻率的計算公式（參考式（1））可知，如果采用20 MHz的晶振作為AD9833的主頻時鐘來輸出10 kHz的正弦波信號，則可計算出頻率字FREQREG的十六進制數為20C49，如果軟件設計時選用AD9833的頻率寄存器0和相位寄存器0，則加上寄存器標識后，FPGA寫入AD98 33的頻率字高位十六進制數為4008，低位十六進制數為4C49。在給頻率寄存器寫入數據前，若給控制寄存器寫入十六進制數2000，則可將頻率寄存器設置成完整的28位來使用，若給寫入十六進制數0000，則頻率寄存器可以作為兩個14位寄存器來使用。相位字可根據式（2）來計算。當相位偏移為0°時，相位字PHASEREC為十六進制數D000（相位寄存器的標示為1101）；相位偏移為180°時，相位字PHASEREC為十六進制數D800。

3、 仿真驗證

仿真是在QuartusⅡ環境下，使用其自帶的仿真軟件對整個工程進行功能仿真。

仿真采用20 MHz的晶振作為AD9833的主頻時鐘來輸出相位偏移為零、頻率為10 kHz的正弦波、方波、三角波，以及相位偏移為180°的5 kHz的正弦波，結果分別如圖5～圖8所示。

通過模擬輸出頻率公式可計算頻率為5 kHz時，頻率字FREQREG的十六進制數為10624，FPGA寫入AD9833的頻率字高位十六進制數為4004，低位十六進制數為4624。

4 、結論

本文提出了基于FPGA和DDS芯片的遙測信號源。該信號源主要由Cyclone EP1C6和AD9833芯片來搭建硬件電路，采用Verilog語言實現編程，通過對FPGA進行控制使其輸出數據給DDS芯片，最終實現所需波形的輸出。仿真表明該遙測信號源能夠靈活、方便地輸出頻率范圍為0～12．5 MHz的頻率、相位可調的正弦波、三角波、方波信號。此方案的參數化沒計，極大方便了對所需波形數據的更改，增強了信號源的靈活性。雖然該信號源能夠輸出頻率、相位靈活可變的正弦波、方波、三角波，但沒有實現任意波形的輸出。因此以后研究方向是實現對任意波形的設計，以增加信號源的靈活可配置性，進一步增強其通用性。

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