基于FPGA的任意波形发生器设计与研究

　　0 引言

　　任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator，AWG)是一种多波型的信号发生器，它不仅能产生正弦波、指数波等常规波形，也可以表现出载波调制的多样化，如：产生调频、调幅、调相和脉冲调制等。更可以通过计算机软件实现波形的编辑，从而生成用户所需要的各种任意波形。任意波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、DMA输出、可变时钟计数器寻址和直接数字频率合成(DDS)等多种方式。目前任意波形发生器的研制主要基于DDS技术，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在通信、测量与电子仪器领域，是设备全数字化的一个关键技术。

　　1 任意波形发生器的理论分析

　　1.1 DDS技术简介

　　DDS(Direct Digital Synthesis)的概念由美国学者J.Tierncy、C.M.Rader和B.Gold在1971年提出。该技术是从相位的概念进行频率合成，主要优点是输出相位连续、相对带宽较大、频率分辨率很高、可编程、准确度和稳定度都比较高。DDS技术是利用查表法来产生波形，而通过修改存储在ROM里的数据，就可以产生任意波形。

　　1.2 DDS基本结构

　　DDS主要有相位累加器、ROM波形查询表、数模转换器组成。其基本框图如图1所示。

　　线性数字信号通过相位累加器逐级实现，波形函数存储在ROM中，根据累加器输出的相位值作为地址，寻找存储在ROM中的波形函数的幅度量化值，完成相位到幅值的转换，输出相对应的序列。

　　2 硬件电路设计

　　2.1 设计方案

　　基于FPGA实现DDS功能，通过单片机实现控制。此方案的核心在于FPGA的设计实现逻辑功能，通过对存储器查表后输出信号，由相连接的数模转换器转换为要求的波形。单片机作为控制器，易于控制与调试。系统框图如图2所示。

　　2.2 D/A转换器的使用

　　本案采用德州仪器的TLC7528。它是双路、8位D/A转换器，本案设计为：A路的数字量控制B路的电压输出，B路则控制输出的幅度。电路图可以显示，VA1(VOB1)处输入的A(B)路电压范围为-5～0 V，VA2(VOB2)处为A(B)路的电压为-5～5 V。DA电路连接图如图3所示。

　　其中因为转换方法的问题，产生的零点误差可以通过调整放大器的零点来校准;而因为温度变化产生的温漂误差在技术上就比较难消除。关于单极性DAC的增益误差可以通过调整放大器的闭环增益来消除。

　　2.3 滤波器的设计

　　一般情况下，椭圆滤波器的参数灵敏度最高，在使用用相同阶数时，椭圆滤波器能够得到最好的矩形系数，7阶椭圆滤波器在通带附近的频点可得到40 dB的带外抑制，很适合将杂散信号滤除。DDS输出的另一类波形是频谱复杂的任意波形，频率比较低，频谱结构丰富，具有较高的谐波分量，选用等波纹误差线性相位滤波器来滤波，它在很大范围内具有固定的延迟，在远离截止频率处，其幅度响应也比较好。