一種新型信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

熊文

關(guān)鍵詞：FPGA；MCU；DDS;信號(hào)發(fā)生器

1引言

信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于信息電子、通信系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。它是一種為電子測(cè)量和計(jì)量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求電信號(hào)的設(shè)備。因此，信號(hào)發(fā)生器和我們熟悉的電量測(cè)試儀器（如電壓表）一樣是最普通、最基本的，也是應(yīng)用最為廣泛的儀器之一，絕大部分電路及其電量的信號(hào)源都需要由信號(hào)發(fā)生器來(lái)提供。

直接數(shù)字頻率合成（Digital Direct FrequencySynthesis，DDS）技術(shù)是一種新的數(shù)字化技術(shù)。它不需要任何的振動(dòng)，也不需要鎖相環(huán)，只需要將一系列的數(shù)據(jù)通過(guò)DAC來(lái)生成一個(gè)預(yù)定的模擬信號(hào)。由于采用了數(shù)字信號(hào)的高級(jí)處理原理和技術(shù)，信號(hào)的頻率變換速度較快，頻率分辨率高，頻率穩(wěn)定度高，輸出信號(hào)頻率和相位可以迅速地進(jìn)行程序控制，從而能夠便捷地進(jìn)行信號(hào)的完全數(shù)字調(diào)制。本文根據(jù)信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)及應(yīng)用情況，以FPGA芯片為主要控制器，結(jié)合MCU與高速DAC模塊，設(shè)計(jì)出一款使用簡(jiǎn)單方便、性能優(yōu)良的新型信號(hào)發(fā)生器。

2信號(hào)發(fā)生器硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用FPGA與MCU雙核心，外接DAC模塊來(lái)完成DDS信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。以“FPGA+DAC”與濾波器負(fù)責(zé)完成DDS功能的實(shí)現(xiàn)，以“MCU+”屏幕與外圍負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互的功能。本設(shè)計(jì)采用“雙子板+底板”的設(shè)計(jì)，子板將MCU與FPGA的所有引腳都引出到底板，以便擴(kuò)展，同時(shí)在底板上引出多個(gè)硬件接口，可大大提升該發(fā)生器的功能擴(kuò)展性。

2.1FPGA子板介紹

本設(shè)計(jì)的FPGA子板采用GWIN-LV4LQ144C615芯片來(lái)構(gòu)建，該芯片是高云GWIN系列產(chǎn)品，其具備相當(dāng)豐富的邏輯能力，具備各種I/O電平標(biāo)準(zhǔn)，并內(nèi)嵌了塊狀靜態(tài)隨機(jī)寄存器、數(shù)字信號(hào)處理模塊、鎖相環(huán)節(jié)等新技術(shù)。另外，在其內(nèi)嵌入了Flash技術(shù)，是一種具備非易失性的FPGA產(chǎn)品，具有低功率、高穩(wěn)定性、商品體積較小、封裝形式多樣、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。

圖1是以GWIN為核心的FPGA子板電路圖，本設(shè)計(jì)在該芯片以及其他芯片的電源部分增加了去耦電容、旁路電容以及磁珠來(lái)進(jìn)行抗電磁干擾優(yōu)化。

2.2MCU子板介紹

MCU子板采用F1C200S芯片作為內(nèi)核，主要負(fù)責(zé)進(jìn)行交互功能，可接常用的外部設(shè)備（如屏幕、Wi-Fi與紅外等）。F1C200S內(nèi)帶有高速的通信總線接口，大大提高其運(yùn)行速度與能力，以及2個(gè)外設(shè)接口、1個(gè)USB接口，還配有常用的攝像頭接口、顯示屏接口，音頻接口等[1]。

因?yàn)镕1C200S較為方便配置以及具有極為經(jīng)濟(jì)的價(jià)格，加之其內(nèi)置的多項(xiàng)資源可以大大簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)難度，因此其被廣泛應(yīng)用。

F1C200S支持多個(gè)系統(tǒng)，在此選用Linux系統(tǒng)進(jìn)行操作，能有效降低開(kāi)發(fā)難度。圖2是以F1C200S為核心的MCU子板電路原理圖。

2.3DAC模塊介紹

在本設(shè)計(jì)中，DAC模塊選用3peakdac模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭配FPGA即可實(shí)現(xiàn)發(fā)生器任意波形的產(chǎn)生功能。該模塊的特點(diǎn)有：（1） 16管腳直插或郵票孔封裝；（2）方便快捷的搭載FPGA最小系統(tǒng)；（3）適用于雙通道高速數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目；（4）單通道10位/125Msps高速運(yùn)行；（5）輸出模擬信號(hào)2Vpp；（6）3.3～5V穩(wěn)壓供電電源。

2.4電源模塊

電源是任何設(shè)備必不可少的部分，本系統(tǒng)分別對(duì)FPGA和MCU提供了專門(mén)的電源模塊。

2.4.1FPGA電源模塊

本板根據(jù)GWIN芯片的自身特性，電源模塊為FPGA提供1.2 V的核心電，并提供1.2 V，1.8 V，2.5 V和3.3V四種電壓作為Bank電壓的可調(diào)選項(xiàng)，另為VCCX提供3.3V或2.5V作為可選的輔助電壓。本板1.2V的核心電采用SGM2028-ADJ進(jìn)行供電。SGM2028是一款低功耗、低噪聲、低壓差、CMOS工藝的線性穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為2.5～5.5V。SGM2028使用靜聽(tīng)供電的系統(tǒng)，一個(gè)連接在器件BP接口的低外部噪聲旁路電容器，能夠進(jìn)一步降低噪聲。

2.4.2MCU電源模塊

本板采用了EA3036電源模塊，這是一顆三通道的Boost DC-DC電源芯片，用來(lái)提供1.2 V，2.5 V，3.3V的電平電源。EA3036采用了20引腳的QFN 3×3封裝，有效節(jié)省了PCB面積。芯片內(nèi)整合了3個(gè)同時(shí)降壓控制的變換器，可以同時(shí)在低負(fù)荷和高負(fù)載的工作下實(shí)現(xiàn)高性能控制。內(nèi)部的架構(gòu)也改善了整個(gè)電路設(shè)計(jì)。另外，還有獨(dú)立的使能控制器，也能任意調(diào)整上電時(shí)間的順序[2]。

3信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)

3.1FPGA軟件部分

FPGA軟件部分主要采用“Gowin+Visual StudioCode”進(jìn)行編譯，采用Verilog語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)。由Gowin_V1.9.8.03進(jìn)行項(xiàng)目構(gòu)建、編譯與燒錄。由Visual Studio Code來(lái)進(jìn)行Verilog的編寫(xiě)，這基于其極高的擴(kuò)展性，有著大量的插件來(lái)提升它的功能性[3]。

下面介紹主要的Verilog模塊。

（l）PLL.v：這一步是為了使GWIN內(nèi)置的PLL模塊代碼上調(diào)，用Gowin內(nèi)置的IP核形成一個(gè)PLL.v文件。

（2） ROM.v：此模塊是在FPGA內(nèi)部形成一塊ROM并存人正弦波的波形，以供查找表使用。

（3） Divide.v：采用if來(lái)進(jìn)行分頻，并通過(guò)輸入不同的值來(lái)控制輸出頻率，以達(dá)到DDS頻率控制。

（4） SPI.v：調(diào)用IP核，實(shí)現(xiàn)SPI功能，完成與MCU的交互功能。

3.2MCU軟件部分

3.2.1BootLoader啟動(dòng)程序

PC在啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)入BIOS，再根據(jù)BIOS中配置信息引導(dǎo)后續(xù)的啟動(dòng)操作系統(tǒng)，如Windows啟動(dòng)。而對(duì)于嵌入式Linux啟動(dòng)，則沒(méi)有BIOS，而是用BootLoader來(lái)進(jìn)行程序的引導(dǎo)。在嵌入式操作系統(tǒng)中，BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行。可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶入一個(gè)合適狀態(tài)，以為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好適合的環(huán)境[4]。

BootLoader啟動(dòng)過(guò)程可分為stagel，stage2兩個(gè)階段，其中stagel完成初始化硬件，如CPU的寄存器、內(nèi)存的控制器，來(lái)為stage2的運(yùn)行準(zhǔn)備內(nèi)存空間。

當(dāng)Arm開(kāi)發(fā)板上電以后，第一個(gè)要加載到內(nèi)存并運(yùn)行的程序就是BootLoader．本設(shè)計(jì)選擇了U-boot作為引導(dǎo)程序[5]。

3.2.2Linux啟動(dòng)程序

FIC200S的核心licheepi nano已經(jīng)完成了Linux官方源碼的移植。所以可以直接采用licheepi nano文件進(jìn)行使用，并燒錄到TF卡中，從而使設(shè)備進(jìn)行Linux的啟動(dòng)[6]。

3.2.3界面顯示程序

本設(shè)計(jì)采用LittlevGL進(jìn)行界面顯示。

LittlevGL是一款功能強(qiáng)大的用戶界面顯示軟件，調(diào)用簡(jiǎn)單方便。LittlevGL自帶大量的控件，如工具、視窗、按鈕、標(biāo)志、list、圖形等，還能夠自定義控件。LittlevGL還支持眾多特效，如透明、陰影、手動(dòng)展示隱藏的滑動(dòng)條、頁(yè)面轉(zhuǎn)換動(dòng)畫(huà)、圖標(biāo)開(kāi)啟結(jié)束動(dòng)畫(huà)、光滑的拖拽控制、分層屏幕、反鋸齒效果、只耗少許內(nèi)存的字體等[7]。

4系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)采用了ADALM2000中的示波器功能來(lái)對(duì)信號(hào)器產(chǎn)生的波形進(jìn)行顯示與調(diào)節(jié)。圖3顯示了由該示波器所采集的正弦波波形信號(hào)，為改變頻率與電壓后的多次顯示效果。

由圖3可知，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了不同頻率、幅值下的正弦波形的顯示，波形失真率較低，達(dá)到了預(yù)期效果。此外，其他幾種常見(jiàn)波形（如矩形波、三角波等）都可以得到很好的顯示效果。

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于DDS技術(shù)信號(hào)發(fā)生器的組成原理與功能，并重點(diǎn)介紹了該信號(hào)發(fā)生器的硬件組成部分及軟件實(shí)現(xiàn)部分，最后對(duì)信號(hào)波形結(jié)果進(jìn)行顯示與調(diào)節(jié)。該信號(hào)發(fā)生器功能齊全、操作方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，具有一定的使用價(jià)值。