《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于D/A參考電壓調(diào)幅的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第4期
王曉飛1,，張伏江1,，李 東1，何 昭2
1.北京信息科技大學(xué) 光電學(xué)院,，北京100192,； 2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院電磁所,，北京100013
摘要： 信號(hào)發(fā)生器以FPGA為核心器件，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù),，其信號(hào)幅度由D/A芯片THS5661控制,，通過(guò)控制D/A芯片的參考電壓來(lái)控制信號(hào)幅度的輸出。該方案可實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)波形的幅值調(diào)節(jié),，調(diào)節(jié)范圍為0~±5 V,，分辨率為0.1 V，并且可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率和相位的調(diào)節(jié),。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN79+2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)04-0052-03
Design of signal generator based on the amplitude modulation of D/A reference voltage
Wang Xiaofei1,，Zhang Fujiang1，Li Dong1,，He Zhao2
1.Photoelectric College,，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192,，China； 2.National Institude of Metrology P.R.China,，Beijing 100013,，China
Abstract： Signal generator based on FPGA uses the direct digital synthesis technology. Its signal amplitude is controlled by D/A THS5661. We can control the output of the signal through controlling the reference voltage of D/A. This scheme can realize a variety of signal waveform amplitude adjustment. The adjusting range of signal amplitude is 0~±5 V and the resolution is 0.1 V. Its frequency and phase also can be adjusted.
Key words : D/A；referece voltage,；FPGA,；DDS

    近年來(lái)，直接數(shù)字合成DDS(Direct Digital Synthesis)[1]技術(shù)飛速發(fā)展,，同時(shí)也得到了廣泛的應(yīng)用,。基于DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器,，其信號(hào)頻率和相位的調(diào)節(jié)一般是通過(guò)頻率控制字和相位控制字進(jìn)行控制,，而幅值的調(diào)節(jié)有多種方法。本文介紹了信號(hào)發(fā)生器幅值調(diào)節(jié)的一種新方法,，即通過(guò)控制D/A芯片THS5661的參考電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值的調(diào)節(jié),。

    D/A是數(shù)字信號(hào)通向模擬信號(hào)的橋梁，在現(xiàn)代控制,、通信及檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,，尤其在信號(hào)發(fā)生器中起著舉足輕重的作用。本文通過(guò)兩個(gè)THS5661芯片（D/A（1）和D/A（2））完成信號(hào)發(fā)生器信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換和幅值調(diào)節(jié),。其中,，D/A（1）實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換；D/A（2）輸出不同幅值的電壓信號(hào),，將該電壓信號(hào)輸入D/A（1）的參考電壓端,，作為D/A（1）的參考電壓,。這樣通過(guò)微控制單元MCU（Micro Control Unit）與D/A（2）的數(shù)字量通信來(lái)改變D/A（2）的輸出幅值，從而改變D/A（1）的參考電壓,，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器幅值的調(diào)節(jié)[2],。信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率和相位通過(guò)MCU控制FPGA實(shí)現(xiàn)，該方案簡(jiǎn)單易行,，調(diào)節(jié)方便,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 硬件整體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件整體原理框圖如圖1所示。MCU產(chǎn)生調(diào)幅控制字,，通過(guò)串行的方式輸入串/并轉(zhuǎn)換器中,，并將控制字鎖存，串/并轉(zhuǎn)換器的使用可以節(jié)約MCU的I/O資源,，還可以給D/A（2）一個(gè)穩(wěn)定的調(diào)幅信號(hào),，使其穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)幅控制字使調(diào)幅D/A（2）產(chǎn)生一定的電壓信號(hào)并輸入到D/A（1）的參考電壓端,，該參考電壓控制著波形幅值的大小,，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器幅值的調(diào)節(jié)。

    FPGA實(shí)現(xiàn)DDS,，由MCU控制信號(hào)波形控制字,、頻率控制字和相位控制字的輸入，使DDS產(chǎn)生數(shù)字信號(hào),，該數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A（1）轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),，再經(jīng)過(guò)放大電路和低通濾波[3]等調(diào)理電路最終實(shí)現(xiàn)幅度、波形,、頻率和相位均可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器,。

 


1.2 D/A參考電壓調(diào)幅原理
    本系統(tǒng)采用兩個(gè)12 bit D/A芯片THS5661實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換和幅度調(diào)節(jié)[4]。THS5661是一款12 bit高速低功耗芯片,，可輸入0~5 V的外部參考電壓,。如圖2所示，數(shù)字信號(hào)是由FPGA產(chǎn)生,，通過(guò)FPGA_OUT端輸入到D/A(1),，調(diào)幅信號(hào)是由MCU控制，通過(guò)串/并轉(zhuǎn)換器將調(diào)幅信號(hào)鎖存并輸入D/A(2),，串/并轉(zhuǎn)換器采用12 bit串行通信鎖存器M66320,。整個(gè)系統(tǒng)在MCU的控制下，就能夠產(chǎn)生幅值可調(diào)的信號(hào),。理論上,，D/A（1）的參考電壓在0～5 V之間變化時(shí)，波形幅度也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化,。而D/A（2）輸入一個(gè)恒定的5 V參考電壓,，這樣通過(guò)MCU調(diào)幅控制字的輸入和D/A（2）后端模擬信號(hào)的調(diào)理電路就可以產(chǎn)生-5 V~+5 V范圍內(nèi)變化的電壓信號(hào),，其零點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)字量為2 048。取其0~5 V（對(duì)應(yīng)數(shù)字量為2 048~4 095）之間的電壓控制D/A（1）的參考電壓來(lái)完成波形幅度的調(diào)節(jié),。

    通過(guò)D/A的參考電壓來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)幅度,，需要D/A(1)和D/A(2)的有機(jī)結(jié)合。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,，D/A(2)最終輸出的電壓信號(hào)直接影響著D/A(1)的信號(hào)輸出,。由圖2可以看出，D/A(2)輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào),，其表達(dá)式為：
    
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 FPGA軟件設(shè)計(jì)
    如圖3所示為FPGA的頂層文件,。其中，MCUInter-Face為MCU接口控制模塊,，DDSCore為DDS核心模塊[6],，PPL為鎖相環(huán)[7]。MCUInterFace的輸入接口ALE,、RST,、WR、P0[7..0]和P1[4..0]與MCU的I/O口連接,，MCU通過(guò)一定的時(shí)序向MCUInterFace輸入DDS的頻率控制字,、相位控制字和波形控制字，經(jīng)MCUInterFace轉(zhuǎn)換后將相應(yīng)的控制字輸入到DDSCore中,，從而實(shí)現(xiàn)DDS頻率、相位和波形的控制,。MCUInterFace模塊可減少M(fèi)CU I/O口的使用,，節(jié)省MCU的I/O資源。


    本系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)指標(biāo)如下：
    (1)波形：正弦波,、方波,、三角波、鋸齒波等任意波,。
    (2)幅度：范圍0~±5 V,，分辨率0.1 V。
    (3)頻率：范圍0~1 MHz,，分辨率0.993 Hz,。
    (4)相位：分辨率π/512。
    本文給出了一種幅度可調(diào)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法,。通過(guò)調(diào)節(jié)D/A芯片的參考電壓,，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)，該方法簡(jiǎn)單易行,，控制方便,。系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言和VHDL語(yǔ)言在IAR Embedded Workbench 5.40和QuartusⅡ 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),。最終實(shí)現(xiàn)了幅度可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器。在電氣安全測(cè)試方面,，該系統(tǒng)已在人體感知電流閾值測(cè)試中得到了應(yīng)用,。
參考文獻(xiàn)
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