CN101807089B

CN101807089B - 输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器

Info

Publication number: CN101807089B
Application number: CN2010101380495A
Authority: CN
Inventors: 潘海鸿; 陈琳; 黄光永; 弄策; 黄挥甯; 徐文亭; 林华; 黄朝伟
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: CN101807089A

Abstract

本发明涉及一种输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，包括：相位累加器、地址累加器、除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器。在现有技术基础上，根据波形信号特点来改变波形查找表的存储方式，节约存贮空间；调整除法器的除法系数改变输出波形信号数据的大小；在除法器与数据取反器之间增加一个加法器，通过改变加法器的加法系数，调节波形信号垂直方向偏移量，将波形信号输送到数据取反器，再经过n位数/模转换器、低通滤波器最终输出波形信号。采用本发明不但可灵活调节输出波形信号的频率、幅度和相位，而且能够实现输出信号偏移量任意可调，以满足用户对波形信号的需求。

Description

输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器

技术领域

本发明涉及一种直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS)方法，特别是基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)芯片设计一种输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器。

背景技术

直接数字频率合成器具有硬件要求低、频率切换速度快、频率分辨率高等优点，现已广泛应用于自动测控系统、仪器仪表、通讯等领域。直接数字频率合成器以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等，可为系统提供优于模拟信号源的性能，并具有极高的性价比。

目前，一般采用DDS芯片实现波形信号发生器的功能，但其控制方式相对固定，因此不能完全满足用户的需求。基于高性能FPGA芯片设计出的DDS可根据需求实现复杂的调频、调相和调幅功能，其具有良好的实用性和灵活性。目前基于FPGA的DDS主要由频率控制字K、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器(或乘法器)、n位数/模转换器和低通滤波器组成。但其幅度调节的方法只能对波形信号的幅度进行调整，未考虑到输出波形信号在垂直方向上会产生一定偏移量的情况；如用户需要以0V为水平线的电压波形，但采用目前的方法进行调幅时，每改变一次除法系数，输出波形信号都会在垂直方向上偏移一定值，即偏离0V水平线程度不同，这不能直接满足实际需求。

此外，在DDS的波形查找表存放不同波形数据，就可以实现各种波形信号输出，但基于FPGA的DDS波形存储空间不可能很大，这就需要根据不同波形的特点采用尽可能少占用存储空间的方法。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以任意调节输出信号的垂直偏移量，且能灵活改变输出波形信号的幅度、频率；并且根据波形信号特点采用不同方法，减少对存储空间占用的波形信号发生器。

为实现上述目的，本发明输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，包括：相位累加器、地址累加器、除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器；在现有技术基础上，通过改变波形查找表的存储方式，节约存贮空间；通过改变除法器的除法系数改变波形查找表输出的波形信号数据大小；在除法器与数据取反器之间增加一个加法器，通过改变加法器的加法系数，调节波形信号垂直方向偏移量，而后将信号输送到数据取反器，再经过n位数/模转换器、低通滤波器最终输出波形信号。采用本发明可灵活调节输出波形信号的幅度和波形信号的偏移量，以满足用户对不同波形信号的需求。

在系统时钟同步下，M位的相位累加器不断对频率控制字K进行线性累加，当相位累加器积满时就产生一次溢出，从而完成一个周期的波形信号输出。M位的相位累加器对频率控制字K进行线性累加，截取相位累加器高N位二进制码输送到地址累加器，地址累加器查找波形查找表的数据，经过除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器后，输出波形信号。

所述波形信号发生器中设置了M位的相位累加器，地址累加器、除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器，由地址累加器的最高位控制数据取反器的工作，只有在地址累加器的最高位为1时，数据取反器对输入的波形信号进行取反操作，而最高位为0时，数据取反器对输入的波形信号不进行任何操作；通常根据地址累加器输出的地址值查找波形查找表中对应的波形信号数据，地址累加器的次高位对波形查找表产生影响以查找相应的波形信号数据，地址累加器的次高位为0，对波形存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累加器输出升序的地址值，并查找波形查找表中的波形信号数据；地址累加器的次高位为1，对波形存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累加器输出降序的地址值，并查找波形查找表中的波形信号数据；除法器用波形查找表输入的波形信号除以输入的除法系数，得到的结果输送到加法器，通过改变除法系数调节输出波形信号幅度；除法器和数据取反器之间的加法器将除法器输入的波形信号与输入的加法系数相加，其结果输送到数据取反器，通过改变加法器的加法系数可以调节波形信号垂直偏移量；数据取反器将处理后的信号输送n位数/模转换器，经过低通滤波器后，最后完成整个波形信号的输出。

波形查找表与存储的波形种类、波形幅度值的大小、波形存储深度有关；在波形查找表中存储中心对称的波形时，波形存储深度可为1/4周期或1/2周期，减少对存储空间占用。

本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

(1)本发明根据波形信号特点来改变波形查找表的存储方式，并利用地址累加器的最高位和次高位分别对数据取反器和查找波形查找表的方向进行控制，实现尽可能少占用波形存储空间的同时完成波形信号的输出。

(2)本发明在除法器与数据取反器之间增加一个加法器，通过改变加法器的加法系数调节波形信号垂直偏移量。本发明不但能够实现对波形信号的频率调节、相位调节、幅度调节，而且能够实现输出信号偏移量任意可调。

附图说明

图1是本发明输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器原理框图；

图2是本发明实现输出以0V为水平中心线的正弦波幅度调节的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的原理结构框图，包括：相位累加器、地址累加器、除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器；在系统时钟f_s同步下，M位的相位累加器不断对频率控制字K进行线性累加，当相位累加器积满时就产生一次溢出，从而完成一个周期的波形信号输出。M位的相位累加器对频率控制字K进行线性累加，截取相位累加器高N位二进制码输送到地址累加器，地址累加器查找波形查找表的数据，经过除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器后，输出波形信号。

所述波形信号发生器中设置了M位的相位累加器，地址累加器、除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器，由地址累加器的最高位控制数据取反器的工作，只有在地址累加器的最高位为1时，数据取反器对输入的波形信号进行取反操作，而最高位为0时，数据取反器对输入的波形信号不进行任何操作；通常根据地址累加器输出的地址值查找波形查找表中对应的波形信号数据，地址累加器的次高位对波形查找表产生影响以查找相应的波形信号数据，地址累加器的次高位为0，对波形存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累加器输出升序的地址值，并查找波形查找表中的波形信号数据；地址累加器的次高位为1，对波形存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累加器输出降序的地址值，并查找波形查找表；除法器用波形查找表输入的波形信号除以输入的除法系数，得到的结果输送到加法器，通过改变除法系数调节输出波形信号幅度；除法器和数据取反器之间的加法器将除法器输入的波形信号与输入的加法系数相加，其结果输送到数据取反器，通过改变加法器的加法系数可以调节波形信号垂直偏移量；数据取反器将处理后的信号输送n位数/模转换器、低通滤波器后，最后完成整个波形信号的输出。

波形发生器的波形信号输出频率f₀为：

f_{0} = \frac{f_{s} \times K}{2^{M}}

其中0＜K＜2^M-N (1)

在地址累加器输入N位的相位控制字P，则输出波形的相位偏移量θ为：

其中0＜P＜2^N-1(2)

同时，地址累加器的最高位和次高位分别控制数据取反器和查找波形查找表的方向。

波形查找表与要存储的波形种类、波形幅度值的大小、波形存储深度有关。在波形查找表中存储波形，以常见的波形为例：正弦波、方波、锯齿波，它们是中心对称的波形，其在波形查找表存储的波形存储深度可为1/4周期或1/2周期；对于非中心对称波形，可通过设定波形初相位值，将其看成类似于正弦波或方波，如设三角波初相为90°时，该波形可看成类似于正弦波，采用处理正弦波的方法，即存储1/4周期波形数据；在输出波形时通过输入合适的相位控制字P，使输出波形初相为270°即可将其还原为三角波。对于类似于正弦波的波形在波形查找表中存储1/4周期波形数据，对于类似于方波的波形在波形查找表中存储1/2周期波形，这样可以实现尽可能少占用波形存储空间的同时完成波形信号的输出。

除法器用波形查找表输入的波形信号R₀除以输入的除法系数A，得到的结果R₁输送到加法器，通过改变除法系数A实现改变输出波形的幅度：

R_{1} = \frac{R_{0}}{A},

其中0＜A＜2^n-1(3)

在除法器与数据取反器之间的加法器将除法器输入的波形信号R₁与输入的加法系数B相加得到结果R₂：

R_{2} = R_{1} + B = \frac{R_{0}}{A} + B,

其中B＝2^n-1(4)

理论上，加法器的加法系数B是2^n-1；实际上，波形信号进行幅度调节的精度取决于n位数/模转换器精密基准稳压源的精度。波形信号经n位数/模转换器、低通滤波器后以某一电压值为水平中心线输出。此外，因硬件电路原因引起输出波形信号存在偏移，也可以通过调节加法器加法系数B消除波形信号在垂直方向上的偏移量。

数据取反器主要完成对由加法器输入的波形信号进行取反操作，该操作由地址累加器的最高位控制。在地址累加器的最高位为1时，数据取反器对输入的波形信号进行取反操作，而最高位为0时，数据取反器对输入的波形信号不进行任何操作。数据取反器将处理后的波形数字信号输送到n位数/模转换器，再经过低通滤波器，最后完成整个波形的输出。

实施例：系统时钟为50MHz，频率控制字K，相位累加器M为32位，相位控制字P为12位，除法系数A为2，n位数/模转换器，n为16位，加法器加法系数的位数与n位数/模转换器n相同，即16位；根据正弦波特点，波形查找表存储1/4周期的正弦波，可实现对正弦波信号的频率控制、相位控制、幅度控制、偏移量控制。

1、频率控制

波形信号发生器的输出波形信号频率f₀，由公式(1)：

f_{0} = \frac{f_{s} \times K}{2^{M}},

其中0＜K＜2^M-N

可知，通过改变频率控制字K，可改变输出波形信号的频率。由Nyquist定理可知，波形最大输出频率为f₀/2，波形信号频率调节范围为：0.01Hz～6100Hz。在频率控制字K为1时，波形信号的最小分辨率f_min为：0.01Hz。

2、相位控制

相位控制是通过改变相位控制字P，实现输出波形的相位偏移，由公式(2)：

其中0＜P＜2^N-1

可知，在相位控制字P为1时，波形信号最小相位增量为：0.09°。

3、幅度控制

现以调节输出以0V为水平中心线的正弦电压波形为例。根据正弦波的波形特点在波形查找表存储1/4周期的正弦波数据：从0到32768；选取16位的n位数/模转换器时，计算得到以0V为水平中心线的对应数值为32768。具体实现过程如图2所示。

(1)除法系数A为2，地址累加器的次高位为0时，对正弦波存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累加器输出升序的地址值查找波形查找表，即输出0～π/2的信号；

(2)地址累加器的次高位为1，对正弦波存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累加器输出降序的地址值查找波形查找表，即输出π/2～π的信号；

(3)在(1)和(2)的过程中，查找表输出的信号都输送到除法器，该信号除以除法系数A：2，得到0～π波形数据数值范围从0到16384，然后将结果输送到加法器；

(4)加法器将除法器输入的波形信号与输入的加法系数B：32768相加后，0～π波形数据的数值范围从32768到49152，即经过加法器后波形信号整体向上平移；

(5)地址累加器的最高位为1时，数据取反器对由加法器输入的波形信号进行取反操作，即0～π的波形信号数据进行取反操作得到π～2π的波形信号数据；

(6)0～π，π～2π的波形数字信号经过n位数/模转换器、低通滤波器后输出以0V为水平中心线的正弦波信号。

经过上述过程生成了波形信号幅度缩小为原波形信号1/2的正弦波波形，且输出波形信号仍以0V为水平中心线的正弦波。

4、偏移量调节

当输出波形信号要求在垂直方向上的偏移任意量时，可通过调整加法系数B来实现。当输出波形信号偏移量确定后，就可以确定加法系数B；当需要对该波形调幅时，每次只要改变除法系数A即可调节波形信号幅度，输出满足条件的波形信号，而不需要调整加法系数B。

此外，因硬件电路原因也会引起输出波形信号存在偏移，可以通过调节加法器加法系数B消除波形信号在垂直方向上的偏移量。例如要求信号发生器生成以0V为水平中心线，电压范围在-10V～+10V的正弦波，但因硬件电路原因使得最终输出的波形信号略微偏离0V水平线，这时可以通过调节加法系数B的值使输出波形信号达到要求；若采用16位的AD9777转换器芯片，则加法器加法系数B每变化1，最高调节精度为：20V/2¹⁶＝0.0003V，即微调偏移量值为0.0003V。

本发明基于FPGA芯片实现任意波形信号发生器的功能，可根据波形信号特点来改变波形查找表的存储方式，节省对存储空间的占用；根据需求可以任意调节输出波形信号的垂直偏移量和波形的幅度；也可通过调整加法系数来实现偏移量的高精度调节，用于修正硬件造成输出波形信号的垂直方向上的偏移。本发明可扩展应用到多通道信号发生器，实现输出具有相位关联、偏移量和幅度可调的波形信号。

在此说明书中，本发明已对具体实施方式进行了描述。但是本发明不局限于具体实施方式的范围，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，其特征在于包括：相位累加器、地址累加器、除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器；在系统时钟同步下，M位的相位累加器不断对频率控制字K进行线性累加，当相位累加器积满时就产生一次溢出，完成一个周期的波形信号输出；M位的相位累加器对频率控制字K进行线性累加，截取相位累加器高N位二进制码输送到地址累加器，地址累加器查找波形查找表的数据，经过除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器后，输出波形信号；

所述波形信号发生器中设置了M位的相位累加器、地址累加器、除法器、加法器、数据取反器、n位数/模转换器、低通滤波器，由地址累加器的最高位控制数据取反器的工作，只有在地址累加器的最高位为1时，数据取反器对输入的波形信号进行取反操作，而最高位为0时，数据取反器对输入的波形信号不进行任何操作；通常根据地址累加器输出的地址值查找波形查找表中对应的波形信号数据，地址累加器的次高位对波形查找表产生影响以查找相应的波形信号数据，地址累加器的次高位为0，对波形存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累加器输出升序的地址值，并查找波形查找表中的波形信号数据；地址累加器的次高位为1，对波形存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累加器输出降序的地址值，并查找波形查找表中的波形信号数据；除法器用波形查找表输入的波形信号除以输入的除法系数，得到的结果输送到加法器，通过改变除法系数调节输出波形信号幅度；除法器和数据取反器之间的加法器将除法器输入的波形信号与输入的加法系数相加，其结果输送到数据取反器，通过改变加法器的加法系数可以调节波形信号垂直偏移量；数据取反器将处理后的信号输送n位数/模转换器，经过低通滤波器后，最后完成整个波形信号的输出。

2.根据权利要求1所述输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，其特征在于波形查找表与存储的波形种类、波形幅度值的大小、波形存储深度有关；在波形查找表中存储中心对称的波形，波形存储深度可为1/4周期或1/2周期，减少对存储空间占用。