基于PLD的多种数字正弦波发生器设计与实验

翟　会

(南京航空航天大学　电工电子实验教学中心，南京　211106)



基于PLD的多种数字正弦波发生器设计与实验

翟会

(南京航空航天大学电工电子实验教学中心，南京211106)

摘要提出一种基于PLD的多种数字正弦波发生器实验教学平台，该实验综合运用模拟电子技术、数字电子技术、EDA技术，以PLD应用技术为核心，设计了一个具有特定功能的数字正弦波信号源，该实验通过较为完整的电子系统实现过程引导学生了解数字电子系统的实现方法和PLD应用技术。该实验平台可以实现幅值步进、频率步进、相位步进的数字正弦波实验。教学实践表明，该实验加强了学生对PLD技术的掌握，对函数信号发生器工作原理的理解，进而对数字系统设计有了更深层次的理解。

关键词可编程逻辑器件，直接数字合成，数字正弦波

数字系统设计是电子信息工程、通信工程、电子信息科学与技术专业学生学完模拟电子技术、数字电子技术后，开设的学科专业课中的一门选修课程。在数字逻辑电路的基础上，通过本课程的学习，使学生掌握可编程逻辑器件(PLD，一般包括FPGA和CPLD)的内部结构和工作原理，熟悉VerilogHDL语言，具备利用可编程逻辑器件进行数字系统设计的能力，为现代电子EDA技术在专业中的应用打好基础。

在兼顾实验内容的系统性和本科生实验水平的前提下，课程组经过细致的探究和尝试，提出了基于PLD的多种数字正弦波发生器设计实验平台。该实验平台可以进行幅值步进、频率步进和相位步进的数字正弦波设计实验。实际课堂教学应用表明，该实验平台加强了学生对PLD应用技术的掌握，加强了对数字系统概论的理解，同时也培养了学生的实践能力和创新能力，取得了很好的教学效果。

1系统原理

1.1PLD

PLD一般分为FPGA和CPLD两种，目前已经成为一种通用的集成电路器件[1-2]，它的数字逻辑功能由用户对器件编程决定。现在PLD的集成度已经很高，足以满足设计一般数字系统的需要[3]。这样就可以由设计人员自行编程把一个数字系统“放”在一片PLD上，即所谓的片上系统(systemonchip，SoC)[4]。

1.2DDS技术概述

直接数字合成(directdigitalsynthesis，DDS)是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。以正弦波信号发生器为例，利用DDS技术可以根据要求产生不同频率的正弦波，而且可以控制其初始相位和信号幅度，同样也可以利用DDS技术产生任意的波形[5]。DDS正弦波发生器原理如图1所示。

图1　DDS正弦波发生器原理

DDS波形发生电路一般包括系统时钟、频率控制字、相位累加器、ROM查找表、D/A转换器和低通滤波器等。输入的频率控制字(Fcw)称为相位步进量，作为相位累加器的增量；系统时钟则对相位累加器、ROM正弦查找表、D/A转换器提供时序控制。

DDS方法通过查找表输出信号的频率为：

Fout=(FclkFcw)/2M

(1)

式中：Fclk为系统时钟；Fcw为频率控制字，用于控制相位的步进量；M为查找表地址位宽；Fout为DDS输出信号的频率。

由式(1)可知，输出信号的频率与频率控制字成正比，因此可以通过改变相位累加器每次累加的值来改变输出信号的频率。

1.3D/A转换与低通滤波

D/A转换器是一种数模混合器件，用于将数字量转换成对应的模拟量，这里用于将ROM查找表中输出的正弦波采样值转换成相应的电压值。低通滤波器对D/A转换器的输出进行低通滤波，去除毛刺，使输出波形变得平滑。

2系统实现方法

首先生成正弦波查找表数据，这里以生成32个采样数据，每个采样数据位宽为8位为例[6](采样值范围为0-255)，用Matlab生成采样数据的代码如下：

t1=0:2*pi/(32-1):2*pi;

y1=sin(t1)*128+127;

plot(t1，y1，′-.r′);

gtext(′y1=sin(t1)′);

2.1幅值步进数字正弦波设计

要产生幅值可以步进调整的数字正弦波，除了要有常规的正弦波产生电路之外，还需要增加一路D/A转换器，用来对输出正弦波的幅值进行调整，这部分电路的原理图如图2所示。

图2　幅值步进数字正弦波发生器原理图

图中，相位累加器每个时钟累加的值为固定值，这样输出的正弦波信号频率将为固定值[7]。系统通过外部按键调整D/A2的输入端数据，D/A2的输出端接到D/A1的电压参考端，实现用按键调整幅值的功能。这里要求幅值步进值为10mV，幅值输出范围为0～1V。D/A2的数据位宽为8位，则D/A2的参考电压Vref可以通过以下公式得出：

Vstep=Vref/(2x-1)

(2)

式中，x为D/A2的数据位宽，当幅度步进量Vstep取10mV时，可以算出D/A2的参考电压Vref=2.55V，可满足设计要求。

2.2频率步进数字正弦波设计

频率步进是通过调整频率控制字的值来实现的，由DDS输出信号频率关系式(1)可知，只需要通过按键调整频率控制字的值，就可以实现频率步进的功能，该部分电路原理图如图3所示。

图3　频率步进数字正弦波实现方法

2.3相位步进数字正弦波设计

已知正弦波方程：

f(t)=sin(ωt+φ)

(3)

式中：ω为正弦波角频率；φ为偏移量。由该方程可知，只需要使相位累加器额外增加一个相位增量即可实现相位步进的功能，这个相位增量通过按键由外部输入。该部分电路原理图如图4所示。

图4　相位步进数字正弦波实现方法

3系统测试与结果

系统以Altera公司的EP2C8系列FPGA为硬件平台，以QuartusII和Modelsim作为软件设计和仿真平台。实验中，学生需要在QuartusII中调用ROMIP核，用正弦波采样值生成mif文件对ROM进行初始化[8-9]。产生的正弦波数字量经过D/A转换器之后为阶梯信号，并且含有毛刺，需要在后级电路中增加一级低通滤波器，消除毛刺并将阶梯信号变为平滑的正弦波信号[10]。

幅值步进、频率步进和相位步进的Matlab仿真结果如图5所示。通过3种特定功能正弦波的仿真，加深学生对用数字的方法产生正弦波的原理的理解；通过自己动手设计实现，增强学生的综合实验能力和创新能力的培养。

图5　3种特定功能正弦波波形

4结束语

PLD课程是一门应用性很强的课程，本文以PLD为基础，结合D/A转换芯片，运用直接数字合成技术，实现了3种数字正弦波信号发生器实验，阐述了其工作原理，设计思路和实现方法。在实验过程中，学生通过参数计算，系统仿真，程序编写和配置，电路调试，示波器观察各输出点波形等过程，从数字系统的角度理解PLD的开发流程，从而有效地提高了教学质量和效果，提高了学生的动手能力和创新能力。另外，该实验平台具有可扩展性，可以不断完善或与其他电路系统模块组合，构建更为完整的数字系统设计教学实验系统。

参 考 文 献

[1]陈亚军，陈隆道.基于VerilogHDL的信号发生器的设计[J].电子器件，2011，34(5):526-528.

[2] 王金明.数字系统设计与VerilogHDL[M].2版.北京:电子工业出版社，2005．

[3]臧春华，郑步生，刘方，等.现代电子技术基础[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005.

[4]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.

[5]余勇，郑小林.基于FPGA的DDS正弦信号发生器的设计与实现[J].电子器件，2005，28(3):597-599.

[6]郭利文，邓月明.CPLD/FPGA设计与应用高级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011.

[7]TIERNEY.A.Digitalfreguencysynthesizer[J].IEEETransAEV，1971，19(1):48-57.

[8]任志平，党瑞荣，高国旺.基于EDA技术的智能函数发生器的设计[J].科学技术与工程，2008，8(4):1076-1078．

[9] 张智星.Matlab程序设计与应用[M].北京:清华大学出版社，2002．

[10]邓耀华，吴黎明，张力锴，等.基于FPGA的双DDS任意波形发生器的设计与杂散噪声抑制方法[J].仪器仪表学报，2009，30(11):2255-2261．

Design and Experiment of Digital Sine Wave GeneratorBased on PLD

ZHAI Hui

(Electrical&ElectronicExperimentTeachingCenter，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics，Nanjing21106，China)

AbstractOne proposed a variety of digital sine wave generator of experimental teaching platform based on programable logic device (PLD).This experiment designed a digital sine wave signal source with a specific function，integrated use analog electronics，digital electronics，EDA technology and (PLD) application technology as the core.This experiment guide students to understand the implementation of digital electronic systems technology and PLD applications in the process of complete a electronic system.The experimental platform can accomplish the step amplitude，frequency step and phase step digital sine wave experiments.Teaching practice shows that the experiment did not only enhance the students’ mastery of PLD technology and the working principle of signal generator，but also give students a deeper understanding of digital system design.

Key wordsPLD;direct digital synthesizer；digital sine wave

收稿日期:2014-11-15；修改日期: 2015-11-04

作者简介：翟会(1987-)，男，硕士，工程师，主要从事数字系统设计方面的教学。

中图分类号TP312

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.026