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基于FPGA技术和AD9833芯片实现可编程遥测信号源的

小序

遥测旌旗灯号源的主要功能是模拟弹载遥测信息。从技巧实现上,可将旌旗灯号源分为模拟旌旗灯号源、数字旌旗灯号源和DDS旌旗灯号源。此中DDS旌旗灯号源是今世旌旗灯号源的成长偏向。DDS技巧(直接数字频率合成)是近年来迅速成长起来的一种新的频率合成法,具有可编程、易于实现各类数字化调制(如PSK,FSK等高精度的数字调制),频率分辨率高、转换速率快、稳定度高,相位噪声低以及集成度高等优点。近年来,跟着遥测技巧的成长,遥测产品徐徐出现出小型化、标准化、系列化等利用需求。是以,为满意利用需求,遥测旌旗灯号源必须能够供给多样的被测旌旗灯号类型,根据被测模块参数的变更进行实时调剂,实现逐一对应。而传统的遥测旌旗灯号源在设计上短缺机动性、通用性,被测参数的多样性和实时性差,无法满意遥测产品的成长需求。针对这一点,本文提出了以FPGA(现场可编程门阵列)和DDS专用芯片为核心的可编程遥测旌旗灯号源。

1、FPGA及DDS基础事情道理

一样平常传统的旌旗灯号源都采纳谐振法,即器具有频率选择性的回路来孕育发生正弦振荡,得到所需频率。这种旌旗灯号源输出波形单一,且频率稳定度和准确度较差,是以传统的旌旗灯号源已经越来越不能满意今世遥测产品的丈量必要。而采纳DDS技巧设计的遥测旌旗灯号源可以满意波形多样化,频率、相位机动可设置设置设备摆设摆设的要求,且频率稳定度高。

1.1 FPGA

FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件。颠末20多年的成长,FPGA的逻辑规模已经从最初的1000个可用门成长到现在的1000万个可用门,采纳Verilog HDL说话进行设计,在写勉励和建模方面存在很大年夜上风。FPGA的基础组成部分有可编程输入/输出单元、基础可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、富厚的布线资本、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。FPGA器件在布局上由逻辑功能块排列为阵列,经由过程可编程的内部连线连接这些功能块来实现必然的逻辑功能。因为FPGA器件集成度高,开拓和上市周期短,在数字设计和电子临盆中获得迅速遍及和利用,曾在高密度的可编程逻辑器件领域中独有鳌头。

Altera公司是今朝市场上临盆FPGA芯片的主要供应商之一,为用户供给了完善的开拓系统和优越的售后支持办事,有着成熟的系列产品。该公司的可编程逻辑产品可以分为高密度FPGA、低资源FPGA和CPLD等三类。相对付低资源FPGA来说,高密度FPGA主要用于中高真个路由器和互换机中,价格相对偏高,CPLD虽然价格较低,但布线资本有限,无法适用于电路繁杂的时序功能设计。Cyclone(飓风)系列是Altera公司推出的一款低资源FPGA,主要定位在大年夜量且对资源敏感的设计中。Cyclone EP1C6是Altera推出的一款高性价比FPGA,事情电压为3.3 V,内核电压为1.5 V,其密度为5980个逻辑单元,包孕20个128×36 b的RAM块(M4K模块),总的RAM空间达到92 160 b,内嵌2个相环电路和一个用于连接SDRAM的特定双数据率接口

1.2 DDS及其芯片

DDS采纳了不合于传统频率合成措施的全数字布局。它最初是在20世纪70年代由美国学者J.Tierncy等人提出的,它是继直接频率合成和间接频率合成之后,跟着数字集成电路和微电子技巧迅速成长起来的第三代频率合成技巧。DDS是指从相位量化观点启程直接合成所需波形,有效地办理了许多模拟合成技巧无法办理的问题。

DDS是建立在采样定理根基上,首先对必要孕育发生的波形进行采样,将采样值数字化后存入存储器作为查找表,然后经由过程查表读取数据,再经D/A转换器转换为模拟量,将保存的波形从新合成出来。DDS基滥觞基本理框图如图1所示。

今朝AD公司是主流DDS芯片市场的最大年夜供应商,它供给的浩繁DDS集成芯片以其较高的性价比取得了极为广泛的利用。AD公司的DDS产品主要有AD983X,AD985X和AD995X三大年夜系列。对付AD985X系列来说,其系列产品虽然机能较好然则功耗偏高,而AD995X系列虽然功耗较低,但其价格高于AD983X系列,AD983X系列是低价格低功耗型产品。在AD983X系列中。AD9833的最大年夜功耗仅为20 mW。同时,AD9833还具有外围电路简单、频率和相位可编程等特征。AD9833经由过程3线SPI串口进行写操作,内部有5个可编程寄存器,此中包括1个16位节制寄存器,2个28位频率寄存器和2个12位相位寄存器。用户可以经由过程16位节制寄存器设置所需的功能。AD9833的模拟输出为fout:

fout=(fCLK/228)×FREQREG (1)

式中FREQREG为所选频率寄存器中的频率字。

旌旗灯号相移为pout:

pout=(2π/4 096)×PHASEREC (2)

式中PHASEREC为所选相位寄存器中的相位字。

2、基于FPGA和DDS芯片的可编程遥测旌旗灯号源

传统的遥测旌旗灯号源在设计上可编程性差,在很大年夜程度上影响了其机动型和通用性,同时也造成了资本的严重挥霍。而本规划的设计具有较强的可编程性,可以机动设置设置设备摆设摆设,通用性较强,大年夜大年夜节约了资本资源。

该遥测旌旗灯号源的硬件电路主要由低资源FPGA和DDS专用芯片构成,软件采纳Verilog说话编程。对付软件部分来说,该旌旗灯号源的节制接口和节制字编程是软件编程的紧张部分。FPGA节制接口经由过程编程实现串口通信协议,预设节制字必须按照节制接口的通信协议串行输出给DDS专用芯片,DDS芯片才能接管节制字信息,并根据接管到的节制字信息输出所需的波形。

2.1 遥测旌旗灯号源的硬件构成

遥测旌旗灯号源主要包括以下三个组成部分。

(1)按键电路。它主如果向FPGA部分运送节制信息。一部分按键供给波形选择信息,另一部分供给必要输出波形的频率信息。

(2)系统FPGA节制核心。FPGA是系统的核心节制部分。当FPGA接管到按键信息后,发送响应的节制信息给DDS芯片。经由过程法度榜样设计,FPGA芯片EP1C6T144可实现机动设置设置设备摆设摆设。

(3)DDS电路。该部分主要采纳AD9833芯片来搭建外围电路。根据接管到的FPGA节制信息孕育发生所需波形旌旗灯号,并将其输出。

系统总体框图如图2所示。

在该系统中,用户可经由过程波形选择按键输出默认频率的正弦波、三角波、方波等波形,假如在应用的历程中,必要输出不合频率的波形,则可以经由过程频率选择按键来实现。在FPGA节制模块中,当FPGA接管到数据或状态改变的信息后,所设置的响应的变量赋值会发生响应的改变,然后将响应的节制字输出给AD9833芯片,AD9833接管到节制字后经由过程直接数字频率合成,终极输出所需的波形。

2.2 遥测旌旗灯号源的节制接口

DDS芯片AD9833为3线SPI接口,对付一些微处置惩罚器来说可以直接与其连接,但对付FPGA来说,必须经由过程对SPI协议进行编程实现。是以在FPGA节制中,对SPI进行了模块化设计,无论是相位节制字输出照样频率节制字的输出都需颠末SPI模块后,根据SPI协议进行输出。FPGA节制道理框图如图3所示。

在FPGA中,首先接管到外部的按键信息,按键状态或数据模块被触发,根据该模块供给的信息,在相位、频率节制模块内,对响应的寄存器(preq0,fdreq0,fhreq0)进行赋值,完成相位及频率节制字的设置设置设备摆设摆设,并输入到SPI模块,经由过程SPI模块进行SPI协议输出给AD9833,节制输出必须满意AD9833的时序节制,时序如图4所示。

在串行时钟输入SCLK(spiclk)的节制下,SCLK为高,使能旌旗灯号FSYNC(spics)为低时,SDATA(spido)输出)开始输入数据,数据以16位字的形式写入AD9833。FSYNC可以在多组16个SCLK脉冲时代维持低电平,传输继续的16位字流,等到数据传输完毕后在着末一个字的第16个SCLK下降沿变高。

2.3 遥测旌旗灯号源的软件节制字

对付机动可设置设置设备摆设摆设,通用性强的遥测旌旗灯号源来说,其频率、波形等参数的实时变更是必弗成少的。而系统要实现这些参数的实时变更,就必须将节制字进行响应的改变。如正弦波的节制字为十六进制数0008,三角波的节制字为十六进制数000A,方波的节制字十六进制数0028。

由AD9833模拟输出频率的谋略公式(参考式(1))可知,假如采纳20 MHz的晶振作为AD9833的主频时钟来输出10 kHz的正弦波旌旗灯号,则可谋略出频率字FREQREG的十六进制数为20C49,假如软件设计时选用AD9833的频率寄存器0和相位寄存器0,则加上寄存器标识后,FPGA写入AD98 33的频率字高位十六进制数为4008,低位十六进制数为4C49。在给频率寄存器写入数据前,若给节制寄存器写入十六进制数2000,则可将频率寄存器设置成完备的28位来应用,若给写入十六进制数0000,则频率寄存器可以作为两个14位寄存器来应用。相位字可根据式(2)来谋略。当相位偏移为0°时,相位字PHASEREC为十六进制数D000(相位寄存器的标示为1101);相位偏移为180°时,相位字PHASEREC为十六进制数D800。

3、 仿真验证

仿真是在QuartusⅡ情况下,应用其自带的仿真软件对全部工程进行功能仿真。

仿真采纳20 MHz的晶振作为AD9833的主频时钟来输出相位偏移为零、频率为10 kHz的正弦波、方波、三角波,以及相位偏移为180°的5 kHz的正弦波,结果分手如图5~图8所示。

经由过程模拟输出频率公式可谋略频率为5 kHz时,频率字FREQREG的十六进制数为10624,FPGA写入AD9833的频率字高位十六进制数为4004,低位十六进制数为4624。

4 、结论

本文提出了基于FPGA和DDS芯片的遥测旌旗灯号源。该旌旗灯号源主要由Cyclone EP1C6和AD9833芯片来搭建硬件电路,采纳Verilog说话实现编程,经由过程对FPGA进行节制使其输出数据给DDS芯片,终极实现所需波形的输出。仿真注解该遥测旌旗灯号源能够机动、方便地输出频率范围为0~12.5 MHz的频率、相位可调的正弦波、三角波、方波旌旗灯号。此规划的参数化没计,极大年夜方便了对所需波形数据的变动,增强了旌旗灯号源的机动性。虽然该旌旗灯号源能够输出频率、相位机动可变的正弦波、方波、三角波,但没有实现随意率性波形的输出。是以今后钻研偏向是实现对随意率性波形的设计,以增添旌旗灯号源的机动可设置设置设备摆设摆设性,进一步增强其通用性。

责任编辑:gt

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