基于NIOS軟核控制的正弦信號發生器硬件設計

摘 要：高速信號發生器是用來提供測量所需的各種波形信號的電子儀器。針對當前市場上流行高性能信號發生器價格昂貴、性價比低的特點，本設計采用FPGA作為核心器件和DDS技術的高速高精度寬頻正弦信號發生裝置，通過Quartus II軟件和VHDL語言在FPGA上設計出基于DDS技術的IP軟核，并運用基于Nios II嵌入式處理器的SOPC技術實現對DDS IP核的控制，用以產生高速高精度寬頻正弦信號，該信號發生器頻率可調范圍可達1Hz～40MHz，并且可實現1Hz的最小步進頻率，同時還具有二進制PSK調制與ASK調制、調頻、調幅等功能。最終實驗表明該正弦信號發生器滿足原定技術指標，實現了高精度寬頻的技術要求，同時具有可靠性高、通用性好、集成度高和體積小、成本低等特點，有廣泛的應用前景。

關鍵詞：信號發生器；DDS技術；FPGA；SOPC技術

1 引言

信號發生器是指產生所需參數的電測試信號的儀器，被廣泛應用于生產實踐和科技領域中。信號發生器的重要應用之一就是實驗并檢測信號通信與電子電路等。從上世紀20年代出現信號發生器至今，基于技術而言，其主要發展歷程可分為如下幾個階段，即模擬式信號發生器階段、數字式信號發生器階段以及虛擬信號發生器階段。本課題來源于高校數字電子實驗室數字信號源的性能改進。針對實驗教學要求數字信號源具有通用性和普適性的特點，本文設計了基于Nios II軟核處理器的正弦信號發生裝置，該裝置頻率可調、頻帶寬、精度滿足實驗需求且價格低廉便于實驗室大批量采購。

2 信號發生器設計方案

本系統主要實現調節波形信號頻率、顯示信號頻率以及控制波形信號強度等功能。

設計方案的優點如下：第一、系統設計把所需的外圍電路與處理器一同集中于一塊芯片，不必再運用專用芯片，這在很大程度上縮小了系統體積，使系統規模更為簡單；第二、基于PC機平臺算法與C語言程序可以迅速有效地移植于Nios處理器；第三、若外圍電路固定，運用更新算法、重新設計FPGA的內部電路便能在很大程度上提高系統的功能；第四、通過FPGA使片上可編程系統SOPC得以實現；第五、具有更靈活、集成度更高等優點。

3 硬件設計

本文研究中硬件主要牽涉到DDS生成、NiosII核心設計、調制模塊設計、I/O設計。調制模塊中包含AM、FM、ASK、PSK等模塊設計。

3） ASK設計。ASK主要通過以下兩種方法來實現，一是乘法器實現法，二是鍵控法，本論文通過鍵控法來實現。鍵控法的典型應用是通過電開關鍵來對載波振蕩器的輸出進行控制，并以此來實現。

4） PSK設計。通過數字信號來調制載波相位叫做相移鍵控，其通過數字基帶信號來對載波相位進行控制，從而使載波相位出現跳變。

4 仿真測試與測試結果分析

仿真環境采用Quartus II軟件

4.1 DDS正弦信號測試與測試結果分析

4.2 調制信號測試與測試結果分析

調出幅度為6V、頻率為1KHz的正弦波；在調好載波頻率，假設頻率為10MHz，掃描時間設為：50ms；調幅循環調制（調制度Ma在10%～100%之間變化）；圖4-5是測試后截取到的AM波形。

應通過頻譜分析儀來對FM調制信號進行測試，測試所得的1MHz模擬調頻信號載波，10KHz頻偏的頻譜圖如圖4-6所示。

4.3 性能分析討論

5 結論

基于FPGA的正弦信號發生器是目前的主流形勢。本文通過模塊化設計硬件，通過VHDL語言對形成正弦信號的DDS進行了設計，并把其封裝為IP核；通過基于NiosII嵌入式處理器的SOPC技術來控制DDS IP核。在該平臺上基本實現了預期目標，所設計的系統可輸出正弦信號的頻率為1Hz～40MHz、最小步進頻率為1Hz；另外還可具有調頻與調幅功能、二進制PSK功能以及二進制ASK調制功能等。

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作者簡介：潘曉峰（1982-），男，碩士，主要研究領域為自動化控制。