专利名称：输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis简称 DDS或DDFS)方法，特别是基于FPGA (Field-Programmable Gate Array)芯片设计一种输出 信号偏移量任意可调的波形信号发生器。
背景技术：
直接数字频率合成器具有硬件要求低、频率切换速度快、频率分辨率高等优点，现已广泛应用于自动测控系统、仪器仪表、通讯等领域。直接数字频率合成器以有别于其它频 率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽 宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制 信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等，可为系统提供优于模拟信号源的性能，并具有 极高的性价比。目前，一般采用DDS芯片实现波形信号发生器的功能，但其控制方式相对固定，因 此不能完全满足用户的需求。基于高性能FPGA芯片设计出的DDS可根据需求实现复杂的 调频、调相和调幅功能，其具有良好的实用性和灵活性。目前基于FPGA的DDS主要由频率 控制字、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器(或乘法器)、D/A转换器和低通滤波 器组成。但其幅度调节的方法只能对波形信号的幅度进行调整，未考虑到输出波形信号在 垂直方向上会产生一定偏移量的情况；如用户需要以OV为水平线的电压波形，但采用目前 的方法进行调幅时，每改变一次除法系数，输出波形信号都会在垂直方向上偏移一定值，即 偏离OV水平线程度不同，这不能直接满足实际需求。此外，在DDS的波形查找表存放不同波形数据，就可以实现各种波形信号输出，但 基于FPGA的DDS波形存储空间不可能很大，这就需要根据不同波形的特点采用尽可能少占 用存储空间的方法。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以任意调节输出信号的垂直偏 移量，且能灵活改变输出波形信号的幅度、频率；并且根据波形信号特点采用不同方法，减 少对存储空间占用的波形信号发生器。为实现上述目的，本发明输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，包括频率 控制字、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器、加法器、数据取反器、D/A转换器、低 通滤波器；在现有技术基础上，通过改变波形查找表的存储方式，节约存贮空间；通过改变 除法器的除法系数改变波形查找表输出的波形信号数据大小；在除法器与数据取反器之间 增加一个加法器，通过改变加法器的加法系数，调节波形信号垂直方向偏移量，而后将信号 输送到数据取反器，再经过D/A转换器、低通滤波器最终输出波形信号。采用本发明可灵活 调节输出波形信号的幅度和波形信号的偏移量，以满足用户对不同波形信号的需求。在系统时钟同步下，M位的相位累加器不断对频率控制字K进行线性累加，当相位累加器积满时就产生一次溢出，从而完成一个周期的波形信号输出。M位的相位累加器对频 率控制字K进行线性累加，截取相位累加器高N位二进制码输送到地址累加器，地址累加器 查找波形查找表的数据，经过除法器、加法器、数据取反器、n位D/A转换器、低通滤波器后， 输出波形信号。地址累加器的最高位控制数据取反器的工作，只有在地址累加器的最高位为1 时，数据取反器对输入的波形信号进行取反操作，而最高位为0时，数据取反器对输入的波 形信号不进行任何操作；通常根据地址累加器输出的地址值查找波形查找表中对应的波形 信号数据，地址累加器的次高位对波形查找表产生影响地址累加器的次高位为1，对波形 存储深度为1/2周期的波形查找表，地址累加器输出正向的地址值查找波形查找表中的波 形信号数据；地址累加器的次高位为1，对波形存储深度为1/4周期的波形查找表，地址累 加器输出反向的地址值查找波形查找表中的波形信号数据。波形查找表与存储的波形种类、波形幅度值的大小、波形存储深度有关；在波形查 找表中存储中心对称的波形时，波形存储深度可为1/4周期或1/2周期。除法器用波形查找表输入的波形信号除以输入的除法系数A，得到的结果输送到 加法器；通过改变除法系数A调节输出波形信号幅度。在除法器与数据取反器之间增加一个加法器，加法器将除法器输入的波形信号与 输入的加法系数B相加，其结果输送到数据取反器；通过改变加法器的加法系数B，可以调 节波形信号垂直偏移量。数据取反器主要完成对由加法器输入的波形信号进行取反操作，该操作由地址累 加器的最高位控制；数据取反器将处理后的信号输送到D/A转换器、低通滤波器，最后完成 整个波形信号的输出。本发明与现有技术相比具有以下优点和效果(1)本发明根据波形信号特点来改变波形查找表的存储方式，并利用地址累加器 的最高位和次高位分别对数据取反器和查找波形查找表的方向进行控制，实现尽可能少占 用波形存储空间的同时完成波形信号的输出。(2)本发明在除法器与数据取反器之间增加一个加法器，通过改变加法器的加法 系数调节波形信号垂直偏移量。本发明不但能够实现对波形信号的频率调节、相位调节、幅 度调节，而且能够实现输出信号偏移量任意可调。
图1是本发明输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器原理框图；图2是本发明实现输出以0V为水平中心线的正弦波幅度调节的示意图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。图1是本发明的原理结构框图，包括频率控制字、相位累加器、地址累加器、波形 查找表、除法器、加法器、数据取反器、D/A转换器、低通滤波器。在系统时钟4同步下，M位的相位累加器不断对频率控制字K进行线性累加，当相 位累加器积满时就产生一次溢出，从而完成一个周期的波形信号输出。M位的相位累加器对频率控制字K进行线性累加，截取相位累加器高N位二进制码输送到地址累加器，地址累加 器查找波形查找表的数据，经过除法器、加法器、数据取反器、n位D/A转换器、低通滤波器 后，输出波形信号。波形发生器的输出频率&为<formula>formula see original document page 5</formula>其中0 < K < 2"-1⑴在地址累加器输入N位的相位控制字P，则输出
波形的相位偏移量0为<formula>formula see original document page 5</formula> 其中0 < P < 2n-1 (2)同时，地址累加器的最高位和次高位分别控 制数据取反器和查找波形查找表的方向进行控制。波形查找表与要存储的波形种类、波形幅度值的大小、波形存储深度有关。在波形 查找表中存储波形，以常见的波形为例正弦波、方波、锯齿波，它们是中心对称的波形，其 在波形查找表存储的波形存储深度可为1/4周期或1/2周期；对于非中心对称波形，可通过 设定波形初相位值，将其看成类似于正弦波或方波，如设三角波初相为90°时，该波形可看 成类似于正弦波，采用处理正弦波的方法，即存储1/4周期波形；在输出波形时通过输入合 适的相位控制字P，使输出波形初相为270°即可将其还原为三角波。对于类似于正弦波的 波形在波形查找表中存储1/4周期波形，对于类似于方波的波形在波形查找表中存储1/2 周期波形，这样可以实现尽可能少占用波形存储空间的同时完成波形信号的输出。除法器用波形查找表输入的波形信号礼除以输入的除法系数A，得到的结果队输 送到加法器，通过改变除法系数A实现改变输出波形的幅度代=&,其中 0<A< 211-1 (3) A在除法器与数据取反器之间的加法器将除法器输入的波形信号礼与输入的加法 系数B相加得到结果R2:及2<formula>formula see original document page 5</formula>，其中 B = 2n-i(4)理论上，加法器的加法系数8是2"_1 ；实际上，波形信号进行幅度调节的精度取决 于D/A转换器精密基准稳压源的精度。波形信号经D/A转换器、低通滤波器后以某一电压 值为水平线输出。此外，因硬件电路原因引起输出波形信号存在偏移，也可以通过调节加法 器加法系数B消除波形信号在垂直方向上偏移量。数据取反器主要完成对由加法器输入的波形信号进行取反操作，该操作由地址累 加器的最高位控制。在地址累加器的最高位为1时，数据取反器对输入的波形信号进行取 反操作，而最高位为0时，数据取反器对输入的波形信号不进行任何操作。数据取反器将处 理后的波形信号输送到D/A转换器、低通滤波器，最后完成整个波形的输出。实施例系统时钟为50MHz，频率控制字M为32位，相位控制字P为12位，除法系 数A为2，D/A转换器n为16位，加法器加法系数的位数与D/A转换器n相同，即16位；根 据正弦波特点，波形查找表存储1/4周期的正弦波，可实现对正弦波信号的频率控制、相位 控制、幅度控制、偏移量控制。1、频率控制波形信号发生器的频率fQ，由公式⑴
<image>image see original document page 6</image>,其中 0 < K < 2"-1可知，通过改变频率控制字K，改变输出波形信号的频率。由NyquiSt定理可知，波 形最大输出频率为&/2，波形信号频率调节范围为0 25MHz。在频率控制字K为1时，波 形信号的最小分辨率fmin为0. 01Hz。2、相位控制相位控制是通过改变相位控制字P，实现输出波形的相位偏移，由公式(2) n 360° χ Pθ= y ,其中0 < P < 2ν-1可知，在相位控制字P为1时，波形信号最小相
位增量为0. 09°。3、幅度控制现以调节输出以OV为水平中心线的正弦电压波形为例。根据正弦波的波形特点 在波形查找表存储1/4周期的正弦波数据从0到32768 ；选取16位的D/A转换器时，计算 得到以OV为水平中心线的对应数值为32768。具体实现过程如图2所示。(1)除法系数A为2，地址累加器的次高位为0时，地址累加器输出正向的地址值 查找波形查找表，即输出0 π /2的信号；(2)地址累加器的次高位为1，对正弦波存储深度为1/4周期的波形查找表，地址 累加器输出反向的地址值查找波形查找表，即输出π/2 π的信号；(3)在(1)和(2)的过程中，查找表输出的信号都输送到除法器，该信号除以除法 系数Α:2，得到0 π波形数据数值范围从0到16384，然后将结果输送到加法器；(4)加法器将除法器输入的波形信号与输入的加法系数B :32768相加后，0 π 波形数据的数值范围从32768到49152，即经过加法器后波形信号整体向上平移；(5)地址累加器的最高位为1时，数据取反器对由加法器输入的波形信号进行取 反操作，即0 π的波形信号数据进行取反操作得到π 的波形信号数据；(6)0 π，π 的波形信号经过D/A转换器、低通滤波器后输出以OV为水 平中心线的正弦波信号。经过上述过程实现生成波形信号幅度缩小为原波形信号1/2的正弦波波形，且输 出波形信号仍以OV为水平中心线的正弦波。4、偏移量调节当输出波形信号要求在垂直方向上的偏移任意量时，可通过调整加法系数B来实 现。当输出波形信号偏移量确定后，就可以确定加法系数B ；当需要对该波形调幅时，每次 只要改变除法系数A即可调节波形信号幅度，输出满足条件的波形信号，而不需要调整加 法系数B。此外，因硬件电路原因也会引起输出波形信号存在偏移，可以通过调节加法器加 法系数B消除波形信号在垂直方向上偏移量。例如要求信号发生器生成以OV为水平中心 线，电压范围在-IOV +IOV的正弦波，但因硬件电路原因使得最终输出的波形信号略微偏 离OV水平线，这时可以通过调节加法系数B的值使输出波形信号达到要求；若采用16位的 AD9777转换器芯片，则加法器加法系数B每变化1，最高调节精度为JOV/^16 = 0. 0003V,即 微调偏移量值为0. 0003V。
本发明基于FPGA芯片实现波形信号发生器，可根据波形信号特点来改变波形查 找表的存储方式，节省对存储空间的占用；根据需求可以任意调节输出波形信号偏移量和 波形的幅度；也可通过调整加法系数来实现偏移量的高精度调节，用于修正硬件造成输出 波形信号的偏移。本发明可扩展应用到多通道信号发生器，实现输出具有相位关联，偏移量 和幅度可调的波形信号。在此说明书中，本发明已对
具体实施方式
进行了描述。但是本发明不局限于
具体实施方式
的范围，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此， 说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
权利要求
一种输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，其特征在于包括频率控制字、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器、加法器、数据取反器、D/A转换器、低通滤波器；在系统时钟同步下，M位的相位累加器不断对频率控制字K进行线性累加，当相位累加器积满时就产生一次溢出，完成一个周期的波形信号输出；M位的相位累加器对频率控制字K进行线性累加，截取相位累加器高N位二进制码输送到地址累加器，地址累加器查找波形查找表的数据，经过除法器、加法器、数据取反器、n位D/A转换器、低通滤波器后，输出波形信号。
2.根据权利要求1所述输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，其特征在于，地 址累加器的最高位和次高位；地址累加器的最高位控制数据取反器的工作，只有在地址累 加器的最高位为1时，数据取反器对输入的波形信号进行取反操作，而最高位为O时，数据 取反器对输入的波形信号不进行任何操作；通常根据地址累加器输出的地址值查找波形查 找表中对应的波形信号数据，地址累加器的次高位对波形查找表产生影响地址累加器的 次高位为1，对波形存储深度为1/2周期的波形查找表，地址累加器输出正向的地址值查找 波形查找表中的波形信号数据；地址累加器的次高位为1，对波形存储深度为1/4周期的波 形查找表，地址累加器输出反向的地址值查找波形查找表中的波形信号数据。
3.根据权利要求1所述输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，其特征在于，波 形查找表，波形查找表与存储的波形种类、波形幅度值的大小、波形存储深度有关；在波形 查找表中存储中心对称的波形，波形存储深度可为1/4周期或1/2周期，减少对存储空间占 用。
4.根据权利要求1所述的输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，其特征在于， 除法器，除法器用波形查找表输入的波形信号除以输入的除法系数Α，得到的结果输送到加 法器；通过改变除法系数A调节输出波形信号幅度。
5.根据权利要求1所述的输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，其特征在于， 在除法器与数据取反器之间增加一个加法器，加法器将除法器输入的波形信号与输入的加 法系数B相加，其结果输送到数据取反器；通过改变加法器的加法系数B，可以调节波形信 号垂直偏移量。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器， 其特征在于，数据取反器，主要完成对由加法器输入的波形信号进行取反操作，该操作由地 址累加器的最高位控制；数据取反器将处理后的信号输送到D/A转换器、低通滤波器，最终 输出波形信号。
全文摘要
本发明涉及一种输出信号偏移量任意可调的波形信号发生器，包括频率控制字、相位累加器、地址累加器、波形查找表、除法器、加法器、数据取反器、D/A转换器、低通滤波器。在现有技术基础上，根据波形信号特点来改变波形查找表的存储方式，节约存贮空间；调整除法器的除法系数改变输出波形信号数据的大小；在除法器与数据取反器之间增加一个加法器，通过改变加法器的加法系数，调节波形信号垂直方向偏移量，将波形信号输送到数据取反器，再经过D/A转换器、低通滤波器最终输出波形信号。采用本发明可灵活调节输出波形信号的频率、幅度和偏移量，以满足用户对波形信号的需求。
文档编号G06F1/03GK101807089SQ201010138049
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者弄策, 徐文亭, 林华, 潘海鸿, 陈琳, 黄光永, 黄挥甯, 黄朝伟 申请人:广西大学