基于FPGA的扫频信号源的研究与设计

2.3 ROM压缩算法

在设计中为节省ROM的空间，尽量节省芯片资源，通常累加器的寄存器输出只有其高K位被用于频率合成，其余的较低的N-K位则舍弃不用，这就是所谓的相位截断。在实际应用中，还希望进一步节约ROM的占用，而ROM压缩最简单的方法是利用正弦信号的对称性，利用一个象限的信号通过地址变换来表示全部的正弦信号。

sin(x)函数在0～2π区间内，它是关于x=π的奇函数。即：

所以只需将0～2π区间的相位编码减去π，求出其幅度值后在加移负号，这样的效果就相当于直接对π～2π区间相位求sin值。这个负号要以数字编码的形式表现出来，所以，π～2π区间的幅度序列是0～π区间幅度序列的补码。在0～π区间，sin(x)函数是关于x=π／2的偶函数。所以：

可见，当相位处于π／2～π区间时，将此时的相位编码减去π／2后，在以π／2为模对其求补，这样得到的相位值就是处于0～π／2区间并和原相位值有相同的函数值，在以这个相位码对ROM寻址，得出的幅度就是π／2～π区间对应幅值序列。即ROM中只存储0～π／2的幅度序列，然后通过相位求补，获得0～π的幅度码，通过幅度求补获得π～2π的幅度码。优化后的相位码到幅度码的转化框图如图3所示。

这样就完成了整个波形的拼接，实现用ROM只存储1／4周期波形而可以输出整个周期，减少了ROM的2位地址，ROM表压缩比达到了4：1，且硬件电路比较容易实现。

3 信号调理电路

信号调理电路包括低通滤波器和功率放大2部分。

经过D／A转化输出信号含有高频噪声，故要对其进行滤波处理，滤除不需要的频率分量，以便输出频谱纯净的正弦信号。本系统选用7级椭圆低通滤波器，其截止频率为9.8 MHz。功率放大部分是为了提高扫频信号源驱动后级负载的能力。该放大电路选用高速宽带运放MAX 4117及三极管2N2905，2N2219，其带宽可达到300 Mb／s，输入输出阻抗均为50 Ω。

4 系统性能及测试结果

本系统采用Altera公司的EP2C20F484C8为主控制器，D／A转换器选用AD公司的AD9761，AD9761是一个双通道，具有40 MSPS的精度为10位的高速CMOS DAC，并内置2倍数插值FIR滤波器。

在QuartusⅡ中进行时序仿真，系统的局部仿真结果如图4所示。

通过QuartusⅡ中的嵌入式逻辑分析仪SignalTapⅡ分析结果如图5所示。

测试结果表明，本系统设计的扫频信号源在线性扫频模式下，完全达到了预期的设计目的。

系统最终在硬件电路中测试结果如下：最大扫频范围：DC～10 MHz，扫频宽度可在此范围内任意设定；最小扫频步长：50 Hz；扫频速度：100 Hz／s；输出波形幅值范围：0～5 V；幅值分辨率：50 mV。

5 结语

本扫频信号源采用DDS技术，完成对相位累加器和相位幅度转化电路的优化设计，与相比利用FPGA芯片将扫频信号源的硬件电路集成在一个片上系统，提高整个系统的工作频率，并减少了寄存器的占用数量。

所有电路模块采用Verilog HDL语言进行RTL级描述，并完成逻辑综合、布局布线、时序仿真及硬件测试，最终在硬件电路上验证了整个系统设计的正确性。测试结果表明，该扫频信号源的时钟频率可以稳定的运行于50 MHz，信号源的频率分辨率可以达到0.1 Hz，扫频范围可以在0～10 MHz之间任意设定，完全满足在中低端扫频仪中应用的要求。
 
作者：王全州，裴  东，杨志民，罗宝龙，李军军

(西北师范大学物理与电子工程学院  甘肃兰州  730070)