摘要：基于FPGA的三相函數信號發生器以DDS為核心，在Altera公司CycloneⅡ系列EP2C8T144C8上實現正弦波、方波、三角波和鋸齒波信號的產生，利用單片機PICl8F4550控制波形的頻率及相位差。同時單片機通過DAC0832控制波形數據轉換DAC902參考電壓實現在波形幅度的控制，D／A輸出的波形經過放大、濾波后輸出。波形參數的輸入輸出通過觸摸屏和液晶屏實現，測試結果顯示該系統具有較高的精度和穩定性。
模擬函數信號發生器輸出波形易受輸入波形的影響，難以實現移相控制，移相角度隨所接負載和時間等因素的影響而產生漂移，頻率、幅度的調節均依賴電位器實現，因此精度難以保證，也很難達到滿意的效果。基于FPGA的數字式三相信號發生器，精度較高，移相控制方便，實現頻率為1 Hz～10 MHz、幅度0．1～10 V，分辨率為1°，頻率和幅度的調節均可程控的三相函數信號發生器。系統還具有輸出靈活、易于系統升級等優點。
1 函數信號發生器的原理
基于DDS原理，頻率控制字M和相位控制字P分別控制DDS輸出波形的頻率和相位。相位累加器是整個波形產生的核心，它有一個累加器和一個N位相位寄存器組成。每來一個時鐘脈沖，相位寄存器以步長M增加，如圖1所示。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，其結果作為波形查找表的地址。波形查找表由ROM構成，內部存有一個完整周期的波形的數字幅度信息，每個查找的地址對應波形中0°～360°范圍的一個相位點。查找表輸入的地址信息映射達成波形幅度信號，同時輸出到數模轉換器的輸入段，DAC輸出的模擬信號經過程控濾波器，可得到一個頻譜純凈的波形。
相位寄存器每經過2N／M個fc時鐘周期后回到初始裝狀態，相應地波形查表經過一個循環回到初始位置，DDS輸出一個波形。輸出的波形周期為Tout=(2N／M)Tc，頻率為
DDS的最小分辨率為fmin=fc／2N，當M=2N-l(即一個周期內只取兩個點)時，DDS最高的基波合成頻率為foutmax=fc／2，根據取樣定理，這在理論上是可行的，考慮到失真度的問題，取i(i>2)個點，則最高頻率為當M=2N-3時，foutmax=fc／i。
2 系統總體設計
系統由單片機控制模塊、FPGA波形產生模塊、數模轉換模塊、濾波輸出模塊、觸摸屏輸入和液晶顯示模塊組成，單片機控制FPGA產生輸入頻率和相位差的三相正弦波、方波、三角波和鋸齒波，經過D／A轉換后濾波輸出，三相波形的幅度也由單片機通過改變D／A的參考電壓控制。具體系統框圖，如圖2所示。
FPGA部分具體框圖，如圖3所示，基于DDS原理，主要由相位累加器、正弦波ROM查找表、方波發生器、三角波發生器、鋸齒波發生器和波形選擇模塊組成。根據單片機設置相移值調整三相波形的相位差，波形選擇也由單片機控制。
2．1 分頻模塊設計
為了對波形頻率精確控制，不同頻率段需要不同的輸入頻率。項目設計中采用50 MHz外部有源晶振，利用FPGA內部鎖相環將頻率鎖定在40．96 MHz，然后該頻率進行10 MHz，100 MHz，1 000 MHz，10 000 MHz，如圖4所示，這樣就得到了5個不同的頻率區間，最后通過5選1數據選擇器由單片機選擇所需要的時鐘頻率。時鐘頻率與輸出波形頻率之間具體關系，如表l所示。
2．2 波形產生模塊設計
2．2．1 正弦波
正弦波的數據需要轉換為*．mif文件后存放到ROM中，mif文件有固定格式規定了每個字的位寬WIDTH、總字數DEPTH、地址進制基數ADDR-ESS_RADIX和數據進制基數DATA_RADIX。在Matlab環境中編程計算出正弦波數據，然后生成mif文件。
EP2C8T144C8擁有較充裕的存儲空間。因此，設計中為了提高精度在ROM中存放4 096個正弦數據，頻率控制字、相位控制字由單片機控制產生，經過相位累加器組成地址發生器，產生的地址連到ROM的地址線上進行查表得到波形數據。
2．2．2 方波
方波算法比較容易實現。由于其只有高低電平兩種狀態。因此，只需要在一個周期的時間中間位置翻轉電平即可。由于相位累加器的值是線形累加的，地址address的值也是線形累加的，對所給地址值address進行判斷，當地址值的最高位為O時，便將波形幅值各字位賦值1，否則賦值0。就可以實現最簡單的占空比50％的方波。
為了實現占空比可調，設計中增加一個變量PWM_zkb[11．．0]，讓地址值與WM_zkb[11．．O]比較，Adress[11．．0]
2．2．3 三角波
三角波的生成原理與方波生成原理相似，也是對地址Address的值進行判斷，當其最高位為0時，取其O～ll位為三角波的波形幅值，即令Data_out[11．．0]=Address[11．．0]。當其最高位為l時，對其0～1l位的值取反后再作為三角波的波形幅值，即令Data_out[11．．0]=not(Address[11．．0])。
2．2．4 鋸齒波
鋸齒波的產生也是基于上述原理，是對地址Address的值進行判斷，當其最高位為O時，取其0～ll位為三角波的波形幅值，即令。Data_ out[11．．0]=Address[11．．0]。當其最高位為1時，對其最高位的值取反后作為鋸齒波的波形幅值，即令Data_out，[11．．0]=Address[11．．0]and“011111111111”。
2．3 相移的實現
在A相地址的基礎上，增加一個累加器，輸入段分別是A相地址和偏移值，經過累加之后得到B相波形地址，然后根據此地址對ROM尋址或者在地址的基礎上生成方波、三角波和鋸齒波。如圖5所示，A相、B相及B相、C相之間的偏移量有單片機控制，數據經過鎖存后送入累加器。
2．4 波形選擇的實現
根據設計要求，每一相都可以實現正弦波、方波、三角波和鋸齒波任意一種波形的輸出，設計了一個4選1數據選擇器，控制端Sel[1．-．0]與單片機IO口相連，如圖6所示，以A相為例。
2．5 幅度控制的實現
參考電壓可通過INT／EXT端選擇內部和外部。當該端口為高電平時選擇外部參考電壓，只要改變參考電壓，就可以改變輸出波形的幅值。DAC902外部參考電壓范圍0．10～1．25 V，因此只需采用8位D／A既可實現0．01 V的步進。如圖7所示，DAC0832輸出接到DAC902參考電壓輸入端REFin，通過單片機控制DAC0832輸出，進而控制DAC902參考電壓。
3 系統測試
本系統波形參數設置通過觸摸屏輸入完成，用示波器測試50 Ω負載下的輸出波形，比較設置值與測試值之間的誤差，圖8為信號源輸出頻率為10 MHz，峰峰值為5 V，兩路信號相移分別為45°、90°、180°、270°時，在使用Fluck PM3394B 200 MHz Combiscope Instrument的“Analog”模式下，用數碼相機拍攝的正弦波的輸出波形。
經過多次測試和反復改進，最終實現了如下技術指標：
(1)輸出波形：正弦波、方波、三角波、鋸齒波。
(2)輸出波形頻率范圍：0．1 Hz～10 MHz。
(3)輸出頻率調節步長：0．01 Hz～10 kHz。
(4)輸出電壓范圍：10 mV～10 V(峰峰值)可調，幅度步進最小10 mV。
(5)方波占空比調節范圍：1％～99％。
由于示波器只有兩個通道，因此只能測量兩項信號之間的相位差。
在頻率穩定度方面，正弦波、三角波、方波和矩形波輸出波形穩定，這正是體現了DDS技術的特點，輸出頻率穩定度和晶振穩定度在同一數量級。由于采用了FPGA的內部時鐘，在倍頻分頻的結果后還是無法達到計算的時鐘，因此存在著誤差，但在頻率較高部分誤差稍明顯，因此設計中采用了軟件修正，從而減少了頻率較高部分的誤差。
對于波形幅度的控制上，由于波形在電路網絡存在一定的衰減，因此在程序中采用軟件補償進行修正。從測試結果可以看書軟件補償做得越細致誤差越小。
4 結束語
本項目以多功能、低功耗、操作方便、結構合理、易于調試為主要設計原則，在系統設計過程中，力求硬件線路簡單，充分發揮軟件編程方便靈活的特點，并最大限度挖掘FPGA片內資源，來滿足系統設計要求。
利用硬件描述語言VHDL編程，借助Ahera公司的Quartus II軟件環境下進行了編譯及仿真測試，在FPGA芯片上設計了函數發生器，產生正弦波、三角波、方波等多種波形，系統的頻率分辨率高，頻率切換速度比較快。設計采用了EDA技術，縮短了開發研制周期，提高了設計效率，而且使系統具有結構緊湊、設計靈活、實現簡單、性能穩定的特點。