基于SoPC/NIOS II的信號發(fā)生器設(shè)計與實現(xiàn)

胡繼勝,李洪

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,安徽合肥230051)

信號發(fā)生器是各種測試和實驗過程中不可缺少的儀器，在通信、測量、雷達、控制、教學(xué)、科研等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展，對相應(yīng)的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器大多采用專用芯片或單片機或模擬電路，具有成本高、控制方式不靈活或波形種類較少等缺點。

本文采用直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)[1]，通過基于NIOSⅡ的SoPC系統(tǒng)實現(xiàn)一個任意波形發(fā)生器。DDS技術(shù)是一種新穎的頻率合成技術(shù)，具有易于程控、相位連續(xù)、輸出頻率穩(wěn)定度高、頻率轉(zhuǎn)換速度快和分辨率高等優(yōu)點。SoPC（System on a Programmable Chip）[2-3]技術(shù)是美國Altrea公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應(yīng)的開發(fā)軟件Quartus II及硬件平臺FPGA(Field-Programmable Gate Array)芯片。SoPC是基于FPGA解決方案的SoC，SoPC的設(shè)計是以IP為基礎(chǔ)、以硬件描述語言VHDL為主要設(shè)計手段、借助于以計算機為平臺的EDA工具進行的，具有靈活的設(shè)計方式和軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。本設(shè)計通過Altera公司的FPGA芯片和NIOSⅡ嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)SoPC。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本設(shè)計實現(xiàn)一個基于SoPC的任意波形發(fā)生器，其輸出頻率范圍為10 Hz～1 MHz，頻率分辨率為1Hz，輸出電壓幅值范圍為0～5 V，步進間隔為0.1 V，輸出信號的頻率和電壓值可通過鍵盤進行設(shè)置，可實時顯示輸出信號的類型、幅度、頻率和頻率步進值。

片上系統(tǒng)在Altera CycloneⅡ系列的EP2C8Q208C8 FPGA上實現(xiàn)，構(gòu)建了一個基于NIOSⅡ的SoPC系統(tǒng)，完成系統(tǒng)控制和DDS信號發(fā)生，通過PS/2鼠標(biāo)鍵盤設(shè)定波形的種類、任意頻率和任意幅度的信號輸出，最后通過外部電路將片上系統(tǒng)數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為模擬輸出、放大、濾波和幅度控制，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 NIOS II CPU頂層原理圖

2 片上系統(tǒng)設(shè)計

片上系統(tǒng)為一個基于NIOSⅡ的SoPC系統(tǒng),由四部分組成：NIOSⅡ模塊、DDS模塊、PLL模塊和片上RAM模塊。

2.1 NIOSⅡ模塊

本模塊提供主控CPU部分，NIOS II模塊通過在SoPC Builder[2]中調(diào)用IP庫組件實現(xiàn)，由Quartus軟件定制，需加入SDRAM、LCD、RS232等控制器。利用SDRAM配合FPGA構(gòu)成片上系統(tǒng)，建立NIOS控制系統(tǒng)，完成任務(wù)調(diào)度及人機交互控制。對DDS部分的控制由PIO口完成，均為輸出口，包括頻率控制字輸出口、波形選擇輸出口、幅度控制輸出口。本設(shè)計中，由于NIOSⅡCPU主要負(fù)責(zé)UART串口的數(shù)據(jù)傳輸和簡單的I/O接口控制，所以選用經(jīng)濟型NIOSⅡ/e內(nèi)核，以達到節(jié)省資源的目的，NIOS II CPU頂層原理圖如圖2所示。

2.2 DDS模塊

2.2.1 直接數(shù)字頻率合成器原理

直接數(shù)字合成DDS(Direct Digital Synthesis)是一種從相位出發(fā)的新的頻率合成技術(shù)和信號產(chǎn)生方法。DDS的原理框圖如圖3所示[4]。圖中相位累加器可在每一個時鐘周期來臨時將頻率控制字(FTW)所決定的相位增量M累加一次，如果記數(shù)大于N，則自動溢出，而只保留后面的N位數(shù)字于累加器中。正弦查詢表ROM用于實現(xiàn)從相位累加器輸出的相位值到正弦幅度值的轉(zhuǎn)換，然后送到DAC中將正弦幅度值的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，最后通過濾波器輸出一個很純凈的正弦波信號。

圖3 DDS原理框圖

2.2.2 正弦波產(chǎn)生原理

如圖4所示,相位累加器為32位累加器，輸出為0～（232-1），作為正弦查詢表的地址輸入端。正弦表中存放一個周期的正弦波內(nèi)的232個點的數(shù)據(jù)，輸出f0為一正弦波，其頻率由“頻率控制字”FTW進行調(diào)節(jié)。

圖4 正弦波產(chǎn)生框圖

上式中，M為相位累加器的位數(shù)，F(xiàn)TW為頻率步進控制字，fclk為時鐘頻率，輸出信號頻率主要取決于頻率控制字FTW。當(dāng)FTW增大時，fout可以不斷增加，綜合考慮Nyquist采樣定理，最高輸出頻率應(yīng)小于fout/2。根據(jù)實驗所得，實際工作頻率應(yīng)小于fclk/3。由于本案例只要求設(shè)計出最高為1 MHz的信號，根據(jù)D/A及FPAG的速度，可以很容易地滿足設(shè)計需要。本例中選用32 MHz的CLK時鐘，在輸出最高1 MHz的信號時，波形在一個周期內(nèi)仍有32個點，能夠完整描述出波形。

由于頻率控制字是由NIOS系統(tǒng)提供的,考慮到浮點運算所占資源太多，所以把浮點運算改為定點運算,則當(dāng)輸出其他任意頻率fout時NIOS內(nèi)部算法為：FTW=fout×134+fout×21/100+fout×77/10000+fout×28/1 000 000

2.2.3 DDS模塊的FPGA實現(xiàn)

DDS模塊采用DDS技術(shù)基于FPGA設(shè)計信號發(fā)生模塊，由三個子模塊組成，產(chǎn)生要求的信號序列。該模塊通過VHDL語言直接編程，用于完成頻率控制字的相位累加和截斷輸出，從而實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的輸出和頻率調(diào)制功能，是整個系統(tǒng)的核心模塊。由于其采用VHDL語言編寫，所以必須將其轉(zhuǎn)換為圖形符號，加入設(shè)計頂層圖中，如圖5所示。

子模塊“xianglei”為32位的相位累加器，它由一個32 bit字長的二進制加法器和一個固定時鐘脈沖clk取樣的32 bit相位寄存器組成，32 bit的din[31..0]輸入為相位累加器頻率控制字輸入端，在時鐘脈沖的控制下，改變頻率控制字，即可改變輸出頻率；子模塊“rom”是一個采用Quartus軟件定制的LPM_ROM正弦查詢表，正弦數(shù)據(jù)由Matlab軟件生成，并以mif的文件格式存儲后加載到ROM模塊中，文件為sin10bit.mif，輸入為10 bit地址，在時鐘的作用下，輸出存儲的正弦數(shù)據(jù)；子模塊“outs”為波形輸出模塊，10 bit地址輸入端與相位累加器模塊輸出相連，10 bit數(shù)據(jù)輸入端與正弦查詢表的ROM輸出相連，sel為波形選擇端，當(dāng)選擇端為0、1、2、3時，在時鐘的作用下，分別輸出正弦波、方波、三角波和鋸齒波，由于D/A轉(zhuǎn)換模塊采用的是8 bit D/A，因此輸出端僅接qout的前8 bit。

2.3 PLL模塊

該模塊通過調(diào)用QuartusⅡ內(nèi)嵌的器件函數(shù)實現(xiàn)，QuartusⅡ內(nèi)嵌了許多常用器件的函數(shù)，用戶只需要進行設(shè)置即可直接調(diào)用，而不需要自己編程，大大提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率。本設(shè)計需要兩個PLL模塊，一個用于產(chǎn)生NIOS及片外SDRAM所需的時鐘，另一個用于DDS時鐘，采用32 MHz，其中片外SDRAM的時鐘輸入必須比系統(tǒng)的時鐘滯后63°相位。

2.4 片上RAM模塊

該模塊采用Quartus軟件定制的LPM_ROM模塊，用來存儲一個周期的波形數(shù)據(jù)。DDS模塊對RAM進行讀操作，讀取波形數(shù)據(jù)，產(chǎn)生幅度量化序列。片上RAM地址位為10 bit，數(shù)據(jù)位為10 bit，空間大小為10 KB，即存儲了1 024個10 bit數(shù)據(jù)。

2.5 軟件設(shè)計

片上系統(tǒng)的軟件設(shè)計利用Altera的SoPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具和QuatrtusII 7.2設(shè)計軟件，在集成開發(fā)軟件NIOSⅡIDE中通過C語言編程實現(xiàn)。主要是DDS控制、LCD顯示控制接口和鍵盤掃描程序的的編寫。如要產(chǎn)生某個1 kHz波形，由鍵盤設(shè)置相應(yīng)數(shù)值、波形類別、波形幅值和步進幅度，通過PIO的控制口送給DDS模塊，就可得到相應(yīng)的波形。限于篇幅，軟件設(shè)計流程圖不再給出。

3 SoPC外圍電路

SoPC的外圍電路是完成人機接口、信號處理及驅(qū)動負(fù)載等重要功能，主要由RS232&PS2模塊、D/A轉(zhuǎn)換與幅度控制模塊、LCD1602模塊組成。其中RS232&PS2模塊由RS232電平轉(zhuǎn)換電路和PS2鍵盤接口電路兩部分組成，用于完成RS232串口通信和PS2接口通信，可實現(xiàn)與計算機串口通信、PS鍵盤擴展等功能，該模塊通過8針接口連接到EDA-SoPC核心板；D/A轉(zhuǎn)換與幅度控制模塊，相當(dāng)于兩路D/A輸出，一路使用D/A芯片完成，即在時鐘的作用下，將8 bit的數(shù)據(jù)送到輸出端,在D/A模擬輸出相應(yīng)模擬電壓，另一路D/A使用電阻網(wǎng)絡(luò)完成轉(zhuǎn)換后作為輸出信號的幅度調(diào)節(jié)，經(jīng)過EDA-SoPC核心板的DDS技術(shù)可實現(xiàn)任意波形、一定頻率、一定幅度范圍的信號輸出；LCD1602模塊主要提供EDA-SoPC核心板與LCD1602液晶接口及液晶所需的負(fù)壓調(diào)節(jié)及背光控制電路。由于篇幅所限，本文只給出D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動電路，如圖6所示。

圖6 信號D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動電路

信號D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動電路由DDS輸入的8 bit數(shù)據(jù)通過DAC908轉(zhuǎn)換為模擬信號，DAC908是一個8 bit高速、低功耗CMOS DAC芯片，最高轉(zhuǎn)換速率為125 Mb/s，采用單端模擬輸出，再通過AD8058運放驅(qū)動后，作為信號輸出。AD8058是一款低成本、高性能的電壓反饋型放大器，可以在高增益的條件下保持帶寬特性，噪聲和失真性能符合高速放大要求，具有很高的穩(wěn)定性。

4 測試結(jié)果

在指標(biāo)測試中,采用了60 MHz數(shù)字示波器固緯GDS1062，其面板上可直接顯示信號的頻率與幅值。

4.1 輸出波形頻率測試

在10 Hz～1 MHz范圍內(nèi)以不同的步進分別進行了正弦波、三角波、方波的頻率測試。在10 Hz～100Hz范圍內(nèi)步進間隔為1 Hz；在100 Hz～1 kHz范圍內(nèi)步進間隔為10 Hz；在1 kHz～1 MHz范圍內(nèi)步進間隔為1 kHz。測試結(jié)果表明,輸出信號頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5，與頻率設(shè)定值完全一致，波形穩(wěn)定無失真。

4.2 正弦波帶負(fù)載能力測試

輸入頻率為f=1 kHz的正弦波,在空載和帶負(fù)載(1 kΩ)情況下，幅值設(shè)定了0.1 V～5 V共10組數(shù)據(jù)，測得負(fù)載變化率最大值為0.22%，輸出波形的幅度與設(shè)定幅度非常接近，系統(tǒng)帶負(fù)載能力很強。

本設(shè)計完成了任意波形發(fā)生器的軟硬件設(shè)計和調(diào)試，而基于NIOS II的嵌入式處理SoPC技術(shù)，使系統(tǒng)性能得到了極大的提高，系統(tǒng)波形顯示清晰、工作穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)指標(biāo)方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平。

[1]林丹,肖啟俊,鄭小燕.基于SoPC的任意波形發(fā)生器[D].深圳：深圳大學(xué)，2007.

[2]李蘭英.NiosⅡ嵌入式軟核SoPC設(shè)計原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3]江國強.正版SoPC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4]帥倩,吳國輝，代冀陽.基于FPGA的DDS設(shè)計及實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010,34(13)：90-92.