專利名稱：輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis簡稱 DDS或DDFS)方法，特別是基于FPGA (Field-Programmable Gate Array)芯片設(shè)計(jì)一種輸出 信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器。
背景技術(shù)：
直接數(shù)字頻率合成器具有硬件要求低、頻率切換速度快、頻率分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于自動測控系統(tǒng)、儀器儀表、通訊等領(lǐng)域。直接數(shù)字頻率合成器以有別于其它頻 率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對帶寬 寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號及其他多種調(diào)制 信號、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等，可為系統(tǒng)提供優(yōu)于模擬信號源的性能，并具有 極高的性價(jià)比。目前，一般采用DDS芯片實(shí)現(xiàn)波形信號發(fā)生器的功能，但其控制方式相對固定，因 此不能完全滿足用戶的需求?；诟咝阅蹻PGA芯片設(shè)計(jì)出的DDS可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的 調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，其具有良好的實(shí)用性和靈活性。目前基于FPGA的DDS主要由頻率 控制字、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器(或乘法器)、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波 器組成。但其幅度調(diào)節(jié)的方法只能對波形信號的幅度進(jìn)行調(diào)整，未考慮到輸出波形信號在 垂直方向上會產(chǎn)生一定偏移量的情況；如用戶需要以O(shè)V為水平線的電壓波形，但采用目前 的方法進(jìn)行調(diào)幅時(shí)，每改變一次除法系數(shù)，輸出波形信號都會在垂直方向上偏移一定值，即 偏離OV水平線程度不同，這不能直接滿足實(shí)際需求。此外，在DDS的波形查找表存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形信號輸出，但 基于FPGA的DDS波形存儲空間不可能很大，這就需要根據(jù)不同波形的特點(diǎn)采用盡可能少占 用存儲空間的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以任意調(diào)節(jié)輸出信號的垂直偏 移量，且能靈活改變輸出波形信號的幅度、頻率；并且根據(jù)波形信號特點(diǎn)采用不同方法，減 少對存儲空間占用的波形信號發(fā)生器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器，包括頻率 控制字、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器、加法器、數(shù)據(jù)取反器、D/A轉(zhuǎn)換器、低 通濾波器；在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，通過改變波形查找表的存儲方式，節(jié)約存貯空間；通過改變 除法器的除法系數(shù)改變波形查找表輸出的波形信號數(shù)據(jù)大小；在除法器與數(shù)據(jù)取反器之間 增加一個(gè)加法器，通過改變加法器的加法系數(shù)，調(diào)節(jié)波形信號垂直方向偏移量，而后將信號 輸送到數(shù)據(jù)取反器，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器最終輸出波形信號。采用本發(fā)明可靈活 調(diào)節(jié)輸出波形信號的幅度和波形信號的偏移量，以滿足用戶對不同波形信號的需求。在系統(tǒng)時(shí)鐘同步下，M位的相位累加器不斷對頻率控制字K進(jìn)行線性累加，當(dāng)相位累加器積滿時(shí)就產(chǎn)生一次溢出，從而完成一個(gè)周期的波形信號輸出。M位的相位累加器對頻 率控制字K進(jìn)行線性累加，截取相位累加器高N位二進(jìn)制碼輸送到地址累加器，地址累加器 查找波形查找表的數(shù)據(jù)，經(jīng)過除法器、加法器、數(shù)據(jù)取反器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器后， 輸出波形信號。地址累加器的最高位控制數(shù)據(jù)取反器的工作，只有在地址累加器的最高位為1 時(shí)，數(shù)據(jù)取反器對輸入的波形信號進(jìn)行取反操作，而最高位為0時(shí)，數(shù)據(jù)取反器對輸入的波 形信號不進(jìn)行任何操作；通常根據(jù)地址累加器輸出的地址值查找波形查找表中對應(yīng)的波形 信號數(shù)據(jù)，地址累加器的次高位對波形查找表產(chǎn)生影響地址累加器的次高位為1，對波形 存儲深度為1/2周期的波形查找表，地址累加器輸出正向的地址值查找波形查找表中的波 形信號數(shù)據(jù)；地址累加器的次高位為1，對波形存儲深度為1/4周期的波形查找表，地址累 加器輸出反向的地址值查找波形查找表中的波形信號數(shù)據(jù)。波形查找表與存儲的波形種類、波形幅度值的大小、波形存儲深度有關(guān)；在波形查 找表中存儲中心對稱的波形時(shí)，波形存儲深度可為1/4周期或1/2周期。除法器用波形查找表輸入的波形信號除以輸入的除法系數(shù)A，得到的結(jié)果輸送到 加法器；通過改變除法系數(shù)A調(diào)節(jié)輸出波形信號幅度。在除法器與數(shù)據(jù)取反器之間增加一個(gè)加法器，加法器將除法器輸入的波形信號與 輸入的加法系數(shù)B相加，其結(jié)果輸送到數(shù)據(jù)取反器；通過改變加法器的加法系數(shù)B，可以調(diào) 節(jié)波形信號垂直偏移量。數(shù)據(jù)取反器主要完成對由加法器輸入的波形信號進(jìn)行取反操作，該操作由地址累 加器的最高位控制；數(shù)據(jù)取反器將處理后的信號輸送到D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器，最后完成 整個(gè)波形信號的輸出。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果(1)本發(fā)明根據(jù)波形信號特點(diǎn)來改變波形查找表的存儲方式，并利用地址累加器 的最高位和次高位分別對數(shù)據(jù)取反器和查找波形查找表的方向進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)盡可能少占 用波形存儲空間的同時(shí)完成波形信號的輸出。(2)本發(fā)明在除法器與數(shù)據(jù)取反器之間增加一個(gè)加法器，通過改變加法器的加法 系數(shù)調(diào)節(jié)波形信號垂直偏移量。本發(fā)明不但能夠?qū)崿F(xiàn)對波形信號的頻率調(diào)節(jié)、相位調(diào)節(jié)、幅 度調(diào)節(jié)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)輸出信號偏移量任意可調(diào)。


圖1是本發(fā)明輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器原理框圖；圖2是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)輸出以0V為水平中心線的正弦波幅度調(diào)節(jié)的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1是本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)框圖，包括頻率控制字、相位累加器、地址累加器、波形 查找表、除法器、加法器、數(shù)據(jù)取反器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器。在系統(tǒng)時(shí)鐘4同步下，M位的相位累加器不斷對頻率控制字K進(jìn)行線性累加，當(dāng)相 位累加器積滿時(shí)就產(chǎn)生一次溢出，從而完成一個(gè)周期的波形信號輸出。M位的相位累加器對頻率控制字K進(jìn)行線性累加，截取相位累加器高N位二進(jìn)制碼輸送到地址累加器，地址累加 器查找波形查找表的數(shù)據(jù)，經(jīng)過除法器、加法器、數(shù)據(jù)取反器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器 后，輸出波形信號。波形發(fā)生器的輸出頻率&為<formula>formula see original document page 5</formula>其中0 < K < 2"-1⑴在地址累加器輸入N位的相位控制字P，則輸出
波形的相位偏移量0為<formula>formula see original document page 5</formula> 其中0 < P < 2n-1 (2)同時(shí)，地址累加器的最高位和次高位分別控 制數(shù)據(jù)取反器和查找波形查找表的方向進(jìn)行控制。波形查找表與要存儲的波形種類、波形幅度值的大小、波形存儲深度有關(guān)。在波形 查找表中存儲波形，以常見的波形為例正弦波、方波、鋸齒波，它們是中心對稱的波形，其 在波形查找表存儲的波形存儲深度可為1/4周期或1/2周期；對于非中心對稱波形，可通過 設(shè)定波形初相位值，將其看成類似于正弦波或方波，如設(shè)三角波初相為90°時(shí)，該波形可看 成類似于正弦波，采用處理正弦波的方法，即存儲1/4周期波形；在輸出波形時(shí)通過輸入合 適的相位控制字P，使輸出波形初相為270°即可將其還原為三角波。對于類似于正弦波的 波形在波形查找表中存儲1/4周期波形，對于類似于方波的波形在波形查找表中存儲1/2 周期波形，這樣可以實(shí)現(xiàn)盡可能少占用波形存儲空間的同時(shí)完成波形信號的輸出。除法器用波形查找表輸入的波形信號禮除以輸入的除法系數(shù)A，得到的結(jié)果隊(duì)輸 送到加法器，通過改變除法系數(shù)A實(shí)現(xiàn)改變輸出波形的幅度代=&,其中 0<A< 211-1 (3) A在除法器與數(shù)據(jù)取反器之間的加法器將除法器輸入的波形信號禮與輸入的加法 系數(shù)B相加得到結(jié)果R2:及2<formula>formula see original document page 5</formula>，其中 B = 2n-i(4)理論上，加法器的加法系數(shù)8是2"_1 ；實(shí)際上，波形信號進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)的精度取決 于D/A轉(zhuǎn)換器精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓源的精度。波形信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器后以某一電壓 值為水平線輸出。此外，因硬件電路原因引起輸出波形信號存在偏移，也可以通過調(diào)節(jié)加法 器加法系數(shù)B消除波形信號在垂直方向上偏移量。數(shù)據(jù)取反器主要完成對由加法器輸入的波形信號進(jìn)行取反操作，該操作由地址累 加器的最高位控制。在地址累加器的最高位為1時(shí)，數(shù)據(jù)取反器對輸入的波形信號進(jìn)行取 反操作，而最高位為0時(shí)，數(shù)據(jù)取反器對輸入的波形信號不進(jìn)行任何操作。數(shù)據(jù)取反器將處 理后的波形信號輸送到D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器，最后完成整個(gè)波形的輸出。實(shí)施例系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz，頻率控制字M為32位，相位控制字P為12位，除法系 數(shù)A為2，D/A轉(zhuǎn)換器n為16位，加法器加法系數(shù)的位數(shù)與D/A轉(zhuǎn)換器n相同，即16位；根 據(jù)正弦波特點(diǎn)，波形查找表存儲1/4周期的正弦波，可實(shí)現(xiàn)對正弦波信號的頻率控制、相位 控制、幅度控制、偏移量控制。1、頻率控制波形信號發(fā)生器的頻率fQ，由公式⑴
<image>image see original document page 6</image>,其中 0 < K < 2"-1可知，通過改變頻率控制字K，改變輸出波形信號的頻率。由NyquiSt定理可知，波 形最大輸出頻率為&/2，波形信號頻率調(diào)節(jié)范圍為0 25MHz。在頻率控制字K為1時(shí)，波 形信號的最小分辨率fmin為0. 01Hz。2、相位控制相位控制是通過改變相位控制字P，實(shí)現(xiàn)輸出波形的相位偏移，由公式(2) n 360° χ Pθ= y ,其中0 < P < 2ν-1可知，在相位控制字P為1時(shí)，波形信號最小相
位增量為0. 09°。3、幅度控制現(xiàn)以調(diào)節(jié)輸出以O(shè)V為水平中心線的正弦電壓波形為例。根據(jù)正弦波的波形特點(diǎn) 在波形查找表存儲1/4周期的正弦波數(shù)據(jù)從0到32768 ；選取16位的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，計(jì)算 得到以O(shè)V為水平中心線的對應(yīng)數(shù)值為32768。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。(1)除法系數(shù)A為2，地址累加器的次高位為0時(shí)，地址累加器輸出正向的地址值 查找波形查找表，即輸出0 π /2的信號；(2)地址累加器的次高位為1，對正弦波存儲深度為1/4周期的波形查找表，地址 累加器輸出反向的地址值查找波形查找表，即輸出π/2 π的信號；(3)在(1)和(2)的過程中，查找表輸出的信號都輸送到除法器，該信號除以除法 系數(shù)Α:2，得到0 π波形數(shù)據(jù)數(shù)值范圍從0到16384，然后將結(jié)果輸送到加法器；(4)加法器將除法器輸入的波形信號與輸入的加法系數(shù)B :32768相加后，0 π 波形數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍從32768到49152，即經(jīng)過加法器后波形信號整體向上平移；(5)地址累加器的最高位為1時(shí)，數(shù)據(jù)取反器對由加法器輸入的波形信號進(jìn)行取 反操作，即0 π的波形信號數(shù)據(jù)進(jìn)行取反操作得到π 的波形信號數(shù)據(jù)；(6)0 π，π 的波形信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器后輸出以O(shè)V為水 平中心線的正弦波信號。經(jīng)過上述過程實(shí)現(xiàn)生成波形信號幅度縮小為原波形信號1/2的正弦波波形，且輸 出波形信號仍以O(shè)V為水平中心線的正弦波。4、偏移量調(diào)節(jié)當(dāng)輸出波形信號要求在垂直方向上的偏移任意量時(shí)，可通過調(diào)整加法系數(shù)B來實(shí) 現(xiàn)。當(dāng)輸出波形信號偏移量確定后，就可以確定加法系數(shù)B ；當(dāng)需要對該波形調(diào)幅時(shí)，每次 只要改變除法系數(shù)A即可調(diào)節(jié)波形信號幅度，輸出滿足條件的波形信號，而不需要調(diào)整加 法系數(shù)B。此外，因硬件電路原因也會引起輸出波形信號存在偏移，可以通過調(diào)節(jié)加法器加 法系數(shù)B消除波形信號在垂直方向上偏移量。例如要求信號發(fā)生器生成以O(shè)V為水平中心 線，電壓范圍在-IOV +IOV的正弦波，但因硬件電路原因使得最終輸出的波形信號略微偏 離OV水平線，這時(shí)可以通過調(diào)節(jié)加法系數(shù)B的值使輸出波形信號達(dá)到要求；若采用16位的 AD9777轉(zhuǎn)換器芯片，則加法器加法系數(shù)B每變化1，最高調(diào)節(jié)精度為JOV/^16 = 0. 0003V,即 微調(diào)偏移量值為0. 0003V。
本發(fā)明基于FPGA芯片實(shí)現(xiàn)波形信號發(fā)生器，可根據(jù)波形信號特點(diǎn)來改變波形查 找表的存儲方式，節(jié)省對存儲空間的占用；根據(jù)需求可以任意調(diào)節(jié)輸出波形信號偏移量和 波形的幅度；也可通過調(diào)整加法系數(shù)來實(shí)現(xiàn)偏移量的高精度調(diào)節(jié)，用于修正硬件造成輸出 波形信號的偏移。本發(fā)明可擴(kuò)展應(yīng)用到多通道信號發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)輸出具有相位關(guān)聯(lián)，偏移量 和幅度可調(diào)的波形信號。在此說明書中，本發(fā)明已對具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述。但是本發(fā)明不局限于具體實(shí)施方式
的范圍，很顯然仍可以做出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此， 說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求
一種輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器，其特征在于包括頻率控制字、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器、加法器、數(shù)據(jù)取反器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器；在系統(tǒng)時(shí)鐘同步下，M位的相位累加器不斷對頻率控制字K進(jìn)行線性累加，當(dāng)相位累加器積滿時(shí)就產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期的波形信號輸出；M位的相位累加器對頻率控制字K進(jìn)行線性累加，截取相位累加器高N位二進(jìn)制碼輸送到地址累加器，地址累加器查找波形查找表的數(shù)據(jù)，經(jīng)過除法器、加法器、數(shù)據(jù)取反器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器后，輸出波形信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器，其特征在于，地 址累加器的最高位和次高位；地址累加器的最高位控制數(shù)據(jù)取反器的工作，只有在地址累 加器的最高位為1時(shí)，數(shù)據(jù)取反器對輸入的波形信號進(jìn)行取反操作，而最高位為O時(shí)，數(shù)據(jù) 取反器對輸入的波形信號不進(jìn)行任何操作；通常根據(jù)地址累加器輸出的地址值查找波形查 找表中對應(yīng)的波形信號數(shù)據(jù)，地址累加器的次高位對波形查找表產(chǎn)生影響地址累加器的 次高位為1，對波形存儲深度為1/2周期的波形查找表，地址累加器輸出正向的地址值查找 波形查找表中的波形信號數(shù)據(jù)；地址累加器的次高位為1，對波形存儲深度為1/4周期的波 形查找表，地址累加器輸出反向的地址值查找波形查找表中的波形信號數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器，其特征在于，波 形查找表，波形查找表與存儲的波形種類、波形幅度值的大小、波形存儲深度有關(guān)；在波形 查找表中存儲中心對稱的波形，波形存儲深度可為1/4周期或1/2周期，減少對存儲空間占 用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器，其特征在于， 除法器，除法器用波形查找表輸入的波形信號除以輸入的除法系數(shù)Α，得到的結(jié)果輸送到加 法器；通過改變除法系數(shù)A調(diào)節(jié)輸出波形信號幅度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器，其特征在于， 在除法器與數(shù)據(jù)取反器之間增加一個(gè)加法器，加法器將除法器輸入的波形信號與輸入的加 法系數(shù)B相加，其結(jié)果輸送到數(shù)據(jù)取反器；通過改變加法器的加法系數(shù)B，可以調(diào)節(jié)波形信 號垂直偏移量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器， 其特征在于，數(shù)據(jù)取反器，主要完成對由加法器輸入的波形信號進(jìn)行取反操作，該操作由地 址累加器的最高位控制；數(shù)據(jù)取反器將處理后的信號輸送到D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器，最終 輸出波形信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輸出信號偏移量任意可調(diào)的波形信號發(fā)生器，包括頻率控制字、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器、加法器、數(shù)據(jù)取反器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)波形信號特點(diǎn)來改變波形查找表的存儲方式，節(jié)約存貯空間；調(diào)整除法器的除法系數(shù)改變輸出波形信號數(shù)據(jù)的大??；在除法器與數(shù)據(jù)取反器之間增加一個(gè)加法器，通過改變加法器的加法系數(shù)，調(diào)節(jié)波形信號垂直方向偏移量，將波形信號輸送到數(shù)據(jù)取反器，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器最終輸出波形信號。采用本發(fā)明可靈活調(diào)節(jié)輸出波形信號的頻率、幅度和偏移量，以滿足用戶對波形信號的需求。
文檔編號G06F1/03GK101807089SQ201010138049
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者弄策, 徐文亭, 林華, 潘海鴻, 陳琳, 黃光永, 黃揮甯, 黃朝偉 申請人:廣西大學(xué)