（电路与系统专业论文）基于FPGA的频率特性测试仪的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：捡攫 一 目期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 。1 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 一保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：途攫导师签名：毽趣；丝日期：丛：! 山素大学焉士学位论文 摘要 频率特性测试仪( 简称扫频仪) 是一种测试电路频率特性的仪器，它 广泛应用于无线电、电视、雷达及通信等领域为分析和改善电路的性能 提供了便利的手段而传统的扫频仪由多个模块构成，电路复杂，体积庞 大，而且在高频测量中，大量的分立元件易受温度变化和电磁干扰的影响 为此，本文提出了集成化设计的方法，针对可编程逻辑器件的特点，对硬 件实现方法进行了探索 本文对三大关键技术进行了深入研究： 第一，由扫频信号发生器的设计出发，对直接数字频率合成技术( d d s ) 进行了系统的理论研究，并改进了r o m 压缩方法，在提高压缩比的同时， 改进了d d s 系统的杂散度，并且利用该方法实现了幅度和相位可调制的 d d s 系统一扫频信号发生器 第二，为了提高系统时钟的工作频率，对流水线算法进行了深入的研 究，并针对景加器的特点，进行了一系列的改进，使系统能在1 0 0 m h z 的 频率下正常工作 第三。从系统频率特性溯试的理论出发，研究如何在f p g a 中提高多 位数学运算的速度，从而提出了种实现多位b c d 码除法运算的方法一 高速串行b c d 码除法；随后，又将流水线技术应用予该算法，对该方法 进行改进，完成了基于流水线技术的b c d 码除法运算的设计，并用此方 法实现了频率特性的测试 在研究以上理论方法的基础上，以大规模可编程逻辑器件 e p l k l 0 0 q c 2 0 8 和微处理器8 9 c 5 2 为实现载体，提出了基于单片机和 f p g a 体系结构的集成化设计方案；以v e r i l o gh d l 为设计语言，实现了 频率特性测试仪主要部分的设计该频率特性测试仪完成扫频信号的输出 和频率特性的测试两大主要任务，而扫频信号源和频率特性测试这两大主 要模块可集成在一片可编程逻辑器件中，充分体现了可编程逻辑器件的优 势 本文首先对相关的概念理论进行了介绍，包括d d s 原理、流水线技 术等。进而提出了系统的总体设计方案，包括设计工具、语言和实现载体 山末大掌囊士学位论文 的选择，而后，简要介绍了徽处理器电路和外围电路，最后，较为详细地 阐述了两个主要模块的设计，并给出了实现方式 针对f p g a 实现提出的改进r o m 压缩算法和高速b c d 码除法运算 算法是本论文的创新点 关键词：频率特性，扫频信号，杂散度，直接数字频率合成，频率字 山泰大学磺士学位论文 h i a b s t r a c t f r e q u e n c yc h a r a c t e rm e a s u r e r ( a l s oc a l l e ds w e e p e r ) ，i sak i n do f i n s t r u m e n tw h i c ht e s t sf r e q u e n c yc h a r a c t e ro fc i r c u i t s i ti sw i d e l yu s e di n n u m b e r so ff i e l d s ，s u c ha sr a d a ra n dt e l e c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hp r o v i d e s c o n v e n i e n tm e a n sf o ra n a l y z i n ga n di m p r o v i n gc i r c u i t sp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h ec o n v e n t i o n a ls w e e p e r sh a v es o m ed r a w b a c k s - - - c o m p l e x i t y , v o l u m e ，m u l t i m o d u l ea n ds oo n e s p e c i a l l yi nh i g h - f r e q u e n c ym e a s u r e ， l a r g en u m b e r so fd i s c r e t ec o m p o n e n t sa r ee a s i l ya f f e c t e db yc h a n g eo f t e m p e r a t u r ea n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e a i m i n ga tt h i s ，t h et h e m e p r o v i d e si n t e g r a t e dd e s i g na n de x p l o r e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o d t h et h e m er e s e a r c h e st h r e ek e yt e c h n o l o g i e sd e e p l y ： f i r s t l y ，f r o m t h ed e s i g no fs w e p ts i g n a l g e n e r a t o r , t h et h e m e r e s e a r c h sd d st h e o r y ，a n dd e s i g n si t c o m p r e s s e dr o mm e t h o dw h i c h i m p r o v e sc o m p r e s sr a t i oo ft h el o o k u pr o m a n ds p u r so fd d ss y s t e m f u r t h e r m o r e ，o u cd d ss y s t e mw i t ha m p l i t u d em o d u l a t i o na n dp h a s e m o d u l a t i o ni sr e a l i z e db a s e do ut h i st h e o r y s e c o n d l y ，i n o r d e rt o h e i g h t e nw o r k i n gf r e q u e n c y ，t h e t h e m e r e s e a r e h st h ep i p e l i n et e c h n o l o g y , a n di m p r o v e si ta i m i n ga ta c c u m u l a t o r d e s i g n ，w h i c hm a k e st h ew h o l es y s t e mw o r ka t1 0 0 m h zs y s t e mc l o c k t h i r d l y ，f r o mt h em e t h o do ff r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ct e s t ，t h et h e m e r e s e a r c h sh o wt oi m p r o v et h es p e e do fm u l t i b i tm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o n s a n da d v a n c e sah i g h - s p e e ds e r i a ld i v i s i o nm e t h o dw i t hb c dc o d e a n d w i t ht h ep i p e l i n et e c h n o l o g ya p p l i e di ni t ，t h ea r i t h m e t i ci s i m p r o v e d f u r t h e r m o r e ，i ti sa p p l i e di nt h ed e s i g no ft h ef r e q u e n c yc h a r a c t e rt e s t m o d u l e 0 nt h ef o u n d a t i o no ft h el a s tt h r e et h e o r i e s ，b a s e do rt h ec a r r i e ro f t h el a r g es c a l ep l de p i k l 0 0 q c 2 0 8a n dm c u 8 9 c 5 2 ，t h i st h e m ec o m e s 6 山东大掌爱士学位论文 _ l - _ - i i i l l _ _ _ _ _ _ 一 u p w i t hu n i n t e g r a t e dd e s i g n s c h e m eb a s e do nm c ua n df p g a a r c h i t e c t u r e v e r i i o gh d li s u s e da st h ed e s i g n l a n g u a g e t h et h e m e c o m p l e t e st h ed e s i g no ff r e q u e n c yc h a r a c t e rm e a s u r e r s t h em e a s u r e r c o m p l e t e st w om a i nt a s k s ：o n t p u t t i n gs w e p ts i g n a la n dt e s t i n gf r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c t h o s et w ok e ym o d u l e sc a nb ei n t e g r a t e di nap l d ，w h i c h e m b o d i e st h ea d v a n t a g eo ft h ep l d t h et h e m ei n t r o d u c e st h ew h o l er e l a t e dc o n c e p t i o na tf i r s t ，i n c l u d i n g f r e q u e n c yc h a r a c t e rt e s t ，d d st h e o r ye t c b a s e do nt h o s e ，i ta d v a n c e st h e w h o l ed e s i g ns c h e m e 。i n c l u d i n gt o o l sl a n g u a g e sa n dc a r r i e r s a n dt h e nt h e m c uc i r c u i t sa n dp e r i p h e r a lc i r c u i ti si n t r o d n e db r i e f l y a tl a s t ，t h e t h e m es t u d i e st h et h e o r i e so ft h et w om a i nm o d u l e sa n dg i v e so u tt h e r e a l i z a t i o nw a y a i m i n ga tf p g aa p p l i c a t i o n s ，t h ei m p r o v e m e n to fr o mc o m p r e s s i o n m e t h o da n dt h eh i g h - s p e e dd i v i s i o no fb c dc o d ea r et h et w oi n n o v a t i o n s o f t b et h e m e k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，s w e p t s i g n a l ，s p u r s ， d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，f r e q u e n c yc o n t r o lw o r d 山东大学焉士学位论文 符号说明 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) ：电子设计自动化 f s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) ：有限状态机 h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ：硬件描述语言 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ：可编程逻辑器件 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ：现场可编程逻辑阵列 b i s t ( b u i l t i ns e l f - t e s t ) ：内建自测试 i c r ( i n - c i r c u i tr e c o n f i g r a b i l i t y ) ；在线可重配置 e a b ( e m b e d d e da r r a yb l o c k ) ：嵌入式阵列块 l p m ( l i b r a r y o f p a r a m e t e r i z e dm o d u l e s ) ：参数模块库 m c u ( m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lu n i t ) ：微程序控制器 p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) ：锁相环 d d s ( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) ：直接数字频率合成 f c w ( f r e q u e n c yc o n t r o lw o r d s ) ；频率控制字 l p f ( l o w p a s sf i l t e r ) ：低通滤波器 0 山东大拳爵士学位论支 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 随着电子技术的飞速发展，我们已经进入数字化和信息化的时代，其 特点是各种数字产品的广泛应用现代数字产品在性能提高、复杂度增大 的同时，更新换代节奏也越来越快而在产品的设计和生产中，现代电子 设计技术和微电子技术是相互促进、相互推动而又相互制约的两个技术环 节现代电子设计技术的核心是e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技 术，它反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设 计技术与最新计算机软件技术的有机融合和升华微电子技术则代表了物 理层在广度和深度上硬件电路实现的发展进入2 0 世纪9 0 年代，微电子 技术以惊人的速度发展，芯片制造工艺技术水平从0 5 删，经过o 3 5 彬， 、 0 2 5 o n 、o 1 8 朋、o 1 3 脚到o 0 9 胛阶段，已步入超深亚微米级，极大地 推动了e d a 技术发展 2 0 世纪9 0 年代后期，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技 术为特征的第3 代e d a 工具这一阶段的e d a 技术其主要特征为： 体现高层综合的理论与方法：e d a 设计层次由r t l 级提高到系统级( 或 行为级) ，并推出了相应的行为级综合优化工具，缩短了设计周期。 实现可测性综合设计：开发了扫描插入、内建自测试( b i s t ) 、边界 扫描等测试性工具，并已集成在e d a 系统中 夺为带有嵌入i p 核a s i c 的设计提供了软硬件协同设计工具 建立并行设计工程框架结构的集成化设计环境。 电子技术的空前发展，高新技术不断涌现，与之相关的电子测试仪器 更是日新月异推陈出新。现代电子铡量仪器一方面应用了现代科学技术 发展的最新成果，是先进技术的综合体现；另一方面，先进电子测试仪器 的广泛应用又极大地推动了科学技术的进步，因此电子测试仪器受到了越 来越多的关注 频率特性测试仪是一种借助于频率扫描振荡器，使信号通过被测网络， 9 山东大学焉学位论文 1 j i l l i _ - i l l i i l - _ _ _ _ - l _ - _ i l l _ l l _ _ l i - _ l l - i _ _ _ _ l - 以幅频、相频等频率特性显示出二维数据的通用仪器该仪器的使用可以 使电子工程的测试大大简化：利用自动网络测试仪，人们有可能对拥有数 万个元件的复杂系统进行测试、调整，而且它的应用面也在急速扩大。 在国外，该技术的进步远远超过了其他的测量仪器我国频率特性测 试仪的发展经历了进口、仿制、开发三个阶段，开发技术取得了长足的进 步但是。现有的频率特性测试仪大多采用模拟式，电路复杂，价格昂贵 而且不能直接得到相频特性更不能保存和打印频率特性图，给使用者带 来了诸多不便 频率合成技术在经历了d s 和p l l 两个阶段后。1 9 7 1 年美国学者 j t i e r n c y 、c m r a d e r 及b g o l d 提出了d d s 技术，但限于当时的技术及器 件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比故未受到重视。近年来， 随着e d a 技术、f p g a 和c p l d 等器件的出现及对d d s 理论上的进一步 探索，使得d d s 技术得到了飞速的发展，学术界掀起了对d d s 谱质研究 的热潮。 n i c h o l a s 建立了杂散信号模型。对d d s 相位截断引起的杂散进行了深 入的分析，并以数论为基础得出一些有益的结论。随后g a r v e y 和b a b i t e h 从波形分析角度、k r o u p a 从傅氏分析的角度进行了类似的讨论在深入研 究认识了d d s 杂散成因及其分布规律后，对d d s 杂散抑制的研究成果便 不断出现，其中包括对d d s 相位累加器的改进、r o m 数据压缩、抖动注 入技术的应用以及对d d s 工艺结构和系统结构的改进等等 1 2 课题研究的意义 本课题在学习掌握e d a 技术和可编程逻辑器件相关知识的基础上，使 用硬件描述语言，以f p g a 和单片机为载体，完成了频率特性测试 仪主要部分的研制工作该频率特性测试仪改善了传统扫频仪电 路复杂，价格昂贵而且不能直接得到相频特性等方面的缺点。具 有成本低，小型便携、精度高、速度快等优点，应用前景广泛。 此外。本论文对r o m 压缩方法进行研究，探寻出改善杂散度的非线 性插值法并在应用中对其进行改进用改进后的压缩方法实现的d d s 系统，杂散度较小，可广泛应用于通信、雷达、电子对抗及现代化仪器仪 山东大学焉士学位论文 表等领域 本文还创新性的提出了高速b c d 码除法运算的方法。不仅可用在扫频 仪的设计中。而且还可广泛应用予数字信号处理等领域 1 3 本论文的研究内容及目标 本论文的目标是深入研究d d s 原理和高速运算方法，并应用该理论方 法，采用了现场可编程门阵列( f p g a ) 和单片机相结合，进行频率特性 测试仪的研制 本文的主要研究内容： 研究d d s 技术中相位幅度转换的几种方法，对可以改善杂散的 r o m 压缩技术进行了深入的探索，对原有的压缩方法进行了改进， 使其更加适合f p g a 的实现。 详细，深入的研究直接数字频率合成技术结合一些资料寻找适 合本课题的方法，将流水线技术应用于整个系统的设计中，在提 高系统运行速度的同时减小了功耗，降低了杂散度 研究f p g a 实现高速运算的方法，先后提出了基于高速串行b c d 码除法和基于流水线技术的b c d 码除法这两种运算方法，并将此 算法应用于频率特性测试模块的设计中 根据频率特性测试的原理。可编程逻辑器件、微处理器和外围电 路相结合。完成了相频特性和幅频特性测试系统的设计 本文的内容安排如下：第一章简要介绍课题的提出背景和意义：第二 章探讨系统设计中所用到的关键技术：第三章提出频率特性测试仪的总体 设计方案，并简要介绍了硬件电路的搭建；第四章阐述扫频信号发生器的 实现；第五章以流水线技术为基础，高速b c d 码除法运算为主要方法， 阐明频率特性测试电路的设计 。 山东丈学焉士学位论文 第二章r o m 压缩技术及高速运算算法研究 2 1d d s 中的杂散分析 2 1 1 理想d d s 的频谱分析 直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，简称d d s ) 技术是一种全数字技术，该技术是以采样、量化理论为基础，从相位 概念出发，应用数字信号处理模块和混合信号处理模块合成实际 所需频率波形的技术 理想的d d s 系统相当于一个理想的采样一保持电路，如图2 1 所示， 其中d d s 主通道相当于一个理想采样器，d a c 相当于一个理想的保持电 路，其系统冲激响应为h ( t ) ： ：o i c o n f d o n e n 刚：咖si n 丁0 r o n f i g d c l k r n c ee l k l r e s e t r 出 c e nm 船1 k 1 0 0 r i6 酬7 b n e wd a m d d s - 0 呱1 l ：i 、 s t ；毗卿d f t s t o p _ 卿u , t c o m m o n _ m o d e d l s p l 7 ：0 慨c1 1 1 0 d e 、 e n o i c p - p o s t 【7 0 3 b e f o r eu p o g u 图3 7f p g a 电路框图 输入输出连接分为以下几个部分： 下载配置引脚：d a t a 7 ：0 、c o n f d o n e 、r l s t a t u s 、n c o n f i g 、d c l k 、 n c e ，这部分是由微处理器完成f p g a 配置时的连接口 时钟端口：c l k 、c l k l ，这两个端口分别是1 0 0 m h z 时钟输入和5 分 频后2 0 m h z 的时钟输出 山东大学硪士学位论文 与微处理器相连的通信端口：d a t a _ i l l 7 ：0 、f l e w _ d a t a 、s t a r ti m p o r t 、 s t o p i m p o r t 、c o m m o i l _ m o d e 、t i m e _ m o d e 、e n q 、c e l l i n 扫频信号输出端口：d d s _ o u t 1 l ：0 】，扫频信号输出，送d a 转换 器 频率测试相关端口：s c p _ p o s t 7 ：0 】、b e f o r e u 、p o s tu 其中s c p _ p o s t 接a d 转换器，b e f o r e _ u 与p o s t u 与两个比较器连接 显示输出端口：d i s p l 7 ：0 】，接l c d 显示 3 5 外围电路 本节介绍两部分主要的外围电路的设计：信号调理电路、被测网络的 幅度测量电路 3 5 1 信号调理电路 一、d a 转换器 本文选用的d a c 器件是a d 公司的9 7 1 3 b 高速芯片a d 9 7 1 3 b 是一 款1 2 位的e c l t t l 兼容高速数模转换器，是针对d d s 、信号重构，高质 量图像信号处理等方面的应用而专门设计的。具有速度高、建立时间快等 优点。其工作时序如图3 - - 8 所示 图3 8d a 锁存时序图 在数据输入时序上，锁存信号是低电平有效，即在锁存信号l a t c h = o 时，输入通道是透明的，锁存信号与输入数据应符台一定的时序关系，即 满足一定的数据建立时间和数据保持时间，数据才能被正确锬存 山末大学颈士学位论文 二幅度调节电路 幅度调节电路是利用两个双极性的放大器a d 7 0 8 、a d 9 6 1 7 组成电路 来调节d a 输出波形的幅度，电路如附图3 9 所示 图3 9 幅度调节电路图 这是一个电流反馈的高速放大电路，它把d a 输出的电流转换成电压， 通过反馈电阻r f b 的电流决定9 6 1 7 输出的幅度r l 和r f f 起分流作用同 时在9 6 1 7 内部提供一个输出电压幅度。流过r 2 的电流给9 6 1 7 输出端提供 一个直流偏置。调节r l 的阻值可以调整偏置电流的大小 三、低通滤波器电路 d a 转换器输出的模拟阶梯波形，需通过低通滤波器才能输出平滑的 正弦波。滤波电路的设计要从d d s 系统输出信号的频谱结构和滤波器本身 的传输特性这两方面考虑。考虑实际设计的扫频信号发生器的频率为3 0 m h z ，d d s 系统的采样时钟固定为i o o m h z ，所以频率低于3 0 m h z 时。 杂散幅度均很小。几乎不影响信号质量因此。电路中可以采用一个低通 滤波器对所有频率的信号进行滤波处理在d d s 系统中，d a 输出的信号 中包拿丰富的谐波分量和系统时钟干扰，低通滤波器可较好地滤除杂波、 平滑信号根据不同的逼近准则，及采用不同的衰减特性，滤波器有以下 三种：巴特沃斯型( b u t e r w o r t h ) ，切比雪夫型( c h e b y s h e v ) 和椭圆型( c a u e r ) ， 如图3 一1 0 所示。从图中可以看出椭圆滤波器具有最陡峭的过渡特性，所 以设计中采用了椭圆函数滤波器 山东大学硪士学位论文 日匪 ( ) b u t t e r v o r t h( b ) c h o l 巧r s h ni c ) c m m r 图3 一1 0 滤波器的衰减特性 椭圆函数滤波器的衰减可表示为：如= 1 0 i g 1 + s 2 群( q ) 1 ，式中，是 纹波因数，胄。( q ) 是n 阶椭圆函数。椭圆函数有零、极点，可表示为： 蹦妒甓黑筹黼，式中n 为奇数，朋= 孚本文设 计的d d s 最大输出频率为3 0 m h z ，输出阻抗为7 5 q 设计滤波器的主要 指标为：截止频率为3 0 m h z ：3 5 m h z 处最小衰减为7 0 d b 通带纹波小于 o 2 5 d b 由上述指标，根据式p 2 斋和论s ，计算反射系数和陡度 系数，根据以上两个系数和最小衰减a 。，参考椭圆函数滤波器阶数曲线 得到设计所需滤波器阶数为9 阶，如附图3 一1 1 所示最后查归一化的电 容和电感值，画出滤波电路 l il 2 l 3 l 4 3 5 2 幅度测量电路 图3 1 i 滤波电路 在频率特性测试前。被测网络的输入、输出信号经过比较、幅度测量 电路处理，转换为数字信号后，送f p g a 处理。 被测网络的输入、输出信号经过比较器后得到方波b e f o r e _ u 、p o s t u 再送f p g a 处理 由于被测网络的输入信号的幅值不变，因此只需测量被测网络的输出 信号的幅值，输出信号的幅值测量由峰值检波器、a f d 转换器及f p g a 共 山东大学磺士学位论文 同完成。首先将被测网络输出信号的峰值提取出来，输入后级的a d 转换 电路转换为数字信号后，再由f p g a 处理峰值检波器的原理如图3 一l l 所示。峰值检波器为一有源峰值检波器，其中三极管的基极( b 端) 由f p g a 控制，产生高电平使电容放电。以减少前一频率测量对后一频率测量的影 响提高幅值测量的精度 图3 一1 2 峰值检波电路 a d 转换器选用t l c 5 5 4 0 t l c 5 5 4 0 是美国德州仪器公司推出的高速 8 位a d 转换器它的时钟周期最小为2 5 n s ，因此最高采样速率为4 0 m s p s 山东大学焉士学位论文 第四章基于d d s 的扫频信号发生器的设计 扫频信号发生器是频率特性测试仪的核心，它提供被测网络所需的频 率随时间变化、而幅度不变的正弦信号本论文利用f p g a 高速数字电路 的优势，采用e d a 技术，选用可编程逻辑器件来设计直接数字频率合成 器( d d s ) ，从而产生扫描正弦波，具有产生信号频率准确、分辨率高、电 路可靠等优点 4 1 扫频信号发生器的总体设计 扫频信号发生器相当于频率递增的信号源，在d d s 系统中，通过频率 控制字的递增来实现频率的递增，因此，正弦扫频信号发生器实际为具有 线性调频功能的d d s ，在相位累加器前设一个频率累加器，使频率控制字 f c w 线性增加，从而使正弦信号的频率线性增加 4 1 1d d s 扫频信号发生器的原理 d d s - i - 作时，频率控制字f c w ( f r e q u e n c yc o n t r o lw o r d s ) 在每一个时 钟周期内与相位累加器累加一次，得到相位值：该相位值在每一个时钟周 期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表r o m ，将相位信息转变成它相应 的数字化正弦幅度值：r o m 输出的数字化波形序列再经数模转换器( d a c ) 实现量化数字信号到模拟信号的转变；最后d a c 输出的阶梯序列波通过 低通滤波器( l p f ) 平滑后得到一个纯净的正弦信号，其原理如图4 一：所示。 图4 一l 正弦输出的d d s 原理图 当d d s q 6 的相位累加器计数大于2 “时累加器自动溢出最高位，并将 山东大学硪士学位论文 后面的n 比特数字保留在累加器中，这一过程相当于做2 ”的模余运算可 以看出：该相位累加器平均每j 品个时钟周期溢出一次 根据前面的分析，不难得知频率控制字f c w 和时钟频率f o , k 共同决定着 d d s 输出信号f o 的频率，它们之间的关系满足： 正：i f c 扩w 厶_ ( 4 一1 ) d d s 的频率分辨率等于d d s 输出最小频率有关，即为频率控制字f c w 为1 的输出频率： f 。：丢 。 二 ( 4 2 ) 由式( 4 一1 ) 得出，当改变频率控制字时，即可改变输出频率。另外 还可根据所需的输出频率来反算出对应的频率控制字但实际运用所算出 的f c w 很难为整数，不可避免她将会存在频率误差，经过分析可知，如将 计算出来的频率控制字的小数部分采取四舍五入的算法，那么最终输出信 号的频率误差时钟小于0 5 f m m 4 1 2 扫频信号发生器的频率特征量 由上面分析得：扫频信号源需要给定起始频率f l 。、终止频率f s t 。，和每 个周期的频率增量f 每j 品个时钟周期，d d s 的频率累加从起始频率 开始，都在每南个时钟的频率值上加一个频率增量达到终止频率f s t o p 时，频率值的累加被停止，并且寻址r o m 的相位累加器的输出被设为复位 扫频信号源的起始频率控制s t a r t _ f c w 、终止频率控制q z s t o p f w 和 频率增量控制字i n c f w 分别为： s t a r t f c 矽= 争2 ” ( 4 3 ) ，碓 ， 5 l 0 p p c w = ! 等2 ( 4 4 ) 山东大学磺士学位论文 l _ - _ _ _ _ _ l _ l _ i - _ l l i i l _ _ i i - _ i _ l i _ _ i _ i _ _ _ l _ _ i _ i n cf c w ：兽2 ” 一 _ ，幽 4 1 3 扫频信号发生器的结构 ( 4 5 ) 根据d d s 技术的基本原理，扫频信号发生器的主通道部分均属于数字 电路，可在f p g a 中实现，基本结构包括四部分；数据接收模块、频率一 相位累加器、相位幅度转换器和d d s 控制器结构框图如图4 2 所示， 顶层设计原理图如附图l t 所示 图4 2 扫频信号发生器结构图 各模块的功能为： ( 1 ) 数据接收模块：接收从微处理器传过来的起始频率控制字和频率字 增量 ( 2 ) 频率一相位累加器模块：包括频率累加器、相位累加器和调相器三 部分对输入的起始频率控制字按频率字增量进行累加，得到相应 的频率字，再对相位按照频率字进行累加 ( 3 ) 相位一幅度转换模块：包括地址转换器、r o m 查找表和数据转换 器三部分该模块将输入的相位转换成r o m 查找表的地址按照 山东大学硕士学位论文 地址进行寻址，得到对应幅度的粗略值，最后，计算输出1 2 位幅 度信号 ( 4 ) d d s 控制模块：根据输入的扫频方式，对各模块的工作进行控制， 输出准确的扫频波 4 2 数据接收模块的设计 用d d s 技术实现扫频信号源时，需要给定起始频率控制字 s t a r t f r e q w o r d 、终止频率控制字s t o p f r e q w o r d 、频率增量 控制字i n c f r e q w o r d 和相位控制字p h a s e w o r d ，这些都是由微处 理器a t 8 9 c 5 2 传送给f p g a 若采用并行传输方式来输入这3 个3 2 位和1 个1 6 位的数据，将耗用1 0 2 个i o ，这对于a t 8 9 c 5 2 是不可能实现的，因 此，本文采用了串行传送，每次接收8 位数据，由控制信号告诉系统是哪 一个8 位数据，依次接收微处理器传送的频率字和相位字 一、模块设计难点分析 在该模块设计时存在两个问题 第一个问题是3 个3 2 位和1 个1 6 位数据( 即1 1 2 位数据) 分1 2 次发 送，数据的输出具有先后顺序，而键盘的输入则是随机的，因此，微处理 器在传送数据的同时要传送信号的种类如果采用微处理器传送。需要增 加f p g a 和微处理器的i o 口来传送输入信号的次序：而且，由于微处理 器在工作时按照串行方式工作，依次执行每条指令，而微处理器的指令周 期远远大于f p g a 的时钟周期，因此采用此方法将大大减慢数据的发送接 收速度由此可见，在此设计中这种方法并不可取为解决这一问题。采 用了以下方法： ( 1 ) 在微处理器端将数据缓存，等待数据全部输入完毕，再进行数 据的传送 ( 2 ) 在数据传送时。与微处理器约定好传送数据的先后顺序，在发 送数据前只需发送一个s t a r t _ i m p o r t 信号，而依次接收的控制信号s i g n _ i n 在f p g a 中由硬件电路实现，这样就可以大大提高传送的速度 ( 3 ) 在设计中一般采用d a t a _ i n 作为敏感信号。来改变s i g n i n 的值 但是在数据输入过程中，有可能出现相邻的两个数据值相同的情况，因此， 4 0 山东大学硬士学位论文 在输入新数据前对n e w _ d a t a 信号取反t 利用n e w d a t a 信号作为进程的敏 感信号。将大大提高系统的可靠性 在模块设计中还存在一个问题，3 2 位频率字分4 次发送，由于此模块 与微处理器相连，而数据的输出受到数据输入的影响，使得数据输出时间 不定，进而使输入到频率累加器的3 2 位频率字不能做到同步，为设计频率 累加器的控制带来一定的困难，同时使代码综合的困难大大增加。为保证 整个系统设计的同步性。在该模块的设计中，将原来由s i g ni n 信号直接控 制输出的方式改为由系统时钟c l k 控制。而将s i g n i n 作为输出选择信号 二、数据接收模块框图 这部分设计采用了带四位控制信号的8 位锁存器来实现。框图如图4 3 所示。 数 据 接 收 图4 3 数据接收模块框图 r e s e t ，e l k ：系统复位和系统时钟信号 s t a r ti m p o r t ：输入数据开始标志位 n e wd a t a ：d a t ai n 输入下一个数据标志 d a t ai n ：8 位数据输入端口 s t a r tf r e q ：开始频率控制字word s t o p ：终止频率控制字f r e q w o r d i n cf r e qw o r d ：频率控制字增量 p h a s ew o r d ：相位字输出 三、模块工作流程及设计实现 s i g n _ i n 是一个四位的输出选择信号，共有1 6 个状态，其中0 0 0 0 是清 零状态，在信号输入前对频率字和相位字锁存器清零；1 1 1 l 是锁存状态。 锁存输入数据；而0 0 0 1 是s t a r t f r e q _ w o r d 低八位数据输入状态，依次类推， 4 l 山东大学硬士学位论文 直到1 1 1 0 这1 2 状态为数据的输入状态各个状态之间的转换由r e s e t 、 s t a r t _ i m p o r t 、n e w _ d a t a 三个信号来控制。系统复位s i g n i n 为锁存状态1 1 l l ， 此时锁存标志位l o c k 为l ；当s t a r t i m p o r t 为l ，开始输入数据，锁存标志 位清零，依次输入数据，s i g n _ i n 由n e wd a t a 作为敏感信号，执行加一操 作；直至s i g n i n 等于1 1 l l 数据输入完毕，进入锁存状态，锁存标志位 置1 。完成数据的接收 该模块共包括三个进程 第一个进程是锁存标志位s t o p i m p o r t 的赋值进程当微处理器开始发 送数据时，锁存信号s t o p _ i m p o r t 无效。否则数据处于锁存状态，锁存标志 位为1 。 第二个进程是s i g n i n 的计数进程。当锁存信号有效时，s i g n i n 赋值 为1 5 ，否则，每当n e wd a t a 上升沿到来时。计数器加一 第三个进程是锁存数据输入进程当复位信号r e s e t = l ，四个控制字 数据清零，当输入标志位为l 时，开始输入数据，根据s i g n i n 的值，确定 被赋值信号。 四、模块仿真 在编写仿真文件时按照微处理器工作的流程进行设计，d a t a _ i n 利用 $ r a n d o m 函数取随机数，如附录图2 1 所示，仿真表明。输出信号满足数 据接收模块的要求 4 3 频率相位累加器的设计 4 3 1 频率一相位累加器的结构 频率特性测试仪对d d s 频率转换速度的要求比较高，而系统中累加器 是影响其速度的关键因素之一如何在有限的芯片资源下提高频率一相位 累加器的速度也就成为设计的关键本论文在参考一些资料的基础上，结 合了各种方法的优势，在减少f p g a 资源的前提下设计出满足1 0 0 m h z 系 统时钟的频率一相位累加器 频率一相位累加器实际是一个可以进行频率和相位调制的相位累加 山东大学硬士学位论文 器，分为三个小模块：频率累加器、相位累加器、相位调制器在频率一 相位累加器的实现时，顶层设计采用了原理图输入法，原理图如附图1 2 所示 该模块采用流水线结构的双层累加器进行设计，它的控制信号由d d s 总控制器输出。使改系统的移植性大大增强，有利于d d s 系统调频功能的 扩展。同时，在双层累加器后添加相位调制模块，可按照调制信号改变相 位累加器输出的相位值，使输出波形的相位发生相应的变化，从而使d d s 系统具备调相功能，使整个系统的功能可扩展性大大提高相位调制器还 实现相位截断的功能从3 2 位相位输出中提取高2 0 位o u t 作为_phase r o m 查找表的地址，进行r o m 寻址 该频率一相位累加器共需5 2 7 个逻辑单元，通过功能和时序验证，满 足系统要求 4 3 2 频率累加器模块 频率累加器主要功能是根据控制器发出的调频方式的不同，输出可控 频率控制字，即实现系统的频率调制功能。其结构由加法器和寄存器组成， 为满足速度的要求，在此采用第二章介绍的改进的流水线结构进行设计， 与相位累加器的结构相同。 一、频率累加器的框图 频 塞 累 加 器 图4 - - 8 频率累加器的框图 r e s e t ，e l k ：系统复位和时钟信号 山东大学磺士学位论文 s t a r ts i g n ：开始频率控制字刷新标志位 g e ns t a r t ：频率字增量刷新标志位 i n cs i g n ：累加运算标志位 s t a r tf q w ，i n cf q w ：