基于復(fù)用OSERDES的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

華南師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院 黃浩然 李 燁 鄧 輝

基于復(fù)用OSERDES的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

華南師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院 黃浩然 李 燁 鄧 輝

基于直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS，Direct Digital Synthesic）的任意波形發(fā)生器應(yīng)用廣泛。現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）利用DDS技術(shù)輸出數(shù)字信號(hào)，再通過DA芯片輸出模擬信號(hào)，其采樣速率一般只有200MS/S。而集成于FPGA內(nèi)部的并串轉(zhuǎn)換器OSERDES的復(fù)用技術(shù)給出一種更高速率的任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)方案，任意波形采樣速率可達(dá)1GS/S。最后通過仿真驗(yàn)證了方法的可行性。

直接數(shù)字合成；任意波形發(fā)生器；現(xiàn)場可編程邏輯陣列；并串轉(zhuǎn)換

1.引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對波形信號(hào)的要求也越來越高，通過數(shù)字方法生成頻率和相位相對固定且可調(diào)的技術(shù)[1]，即DDS技術(shù)日益成熟；它具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高，頻率和相位可編程，控制靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是輸出雜散大。在測試設(shè)備中則作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，頻率合成器被稱為許多電子系統(tǒng)的“心臟”[2]。而設(shè)計(jì)通常采用FPGA及專用DDS芯片的方案，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波以生成所需信號(hào)，由于存儲(chǔ)器及全局時(shí)鐘的限制，采樣時(shí)鐘速率往往不能滿足要求，這就需要調(diào)用FPGA內(nèi)部集成的并串轉(zhuǎn)換器OSERDES，使系統(tǒng)工作在更高的時(shí)鐘頻率。

2.DDS基本原理

DDS技術(shù)建立在采樣定理的基礎(chǔ)上，它由加法器和相位寄存器組成，而相位寄存器是按每個(gè)時(shí)鐘增加步長，相位寄存器的輸出與相位控制字相加后輸入到正弦查詢表地址中[3]。當(dāng)相位累加器的步長為K時(shí)，任意波形的輸出頻率[4]

表1 模塊屬性

圖1 DDS原理方框圖

圖2 系統(tǒng)框圖

式中，F(xiàn)s為固定采樣時(shí)鐘頻率，n為相位累加器長度，改變頻率控制字K，就可以改變DDS的輸出頻率。DDS原理如圖1所示。

實(shí)際上，方案采用多個(gè)相位累加器及波形存儲(chǔ)器，同時(shí)并行訪問四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，故公式修改為：

3.基于OSERDES復(fù)用的高速DA設(shè)計(jì)原理

基于OSERDES復(fù)用的高速DA設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，整個(gè)框圖由Xilinx FPGA芯片Spartan-6系列xc6s16型芯片、TI公司的DAC5681芯片以及ADI公司的AD9518_0時(shí)鐘分配芯片組成。

Spartan-6 FPGA每一款的輸入／輸出模塊(IOB)包含一個(gè)4bit輸入SerDes和一個(gè)4bit輸出SerDes，兩個(gè)相鄰的SerDcs模塊(主模塊和從模塊)級聯(lián)在一起可以生成一個(gè)8bit IOB，這使得每一個(gè)IOB不論在SDR模式下或是在DDR模式下其數(shù)據(jù)的輸入輸出串并轉(zhuǎn)換速率從2:1到8:1都成為可能。本文主要采用輸出SerDes模塊OSERDES2，用其可將并行4bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成1bit的高速串行LVDS電平輸出，共需用到18個(gè)OSERDES2，前16個(gè)作為波形數(shù)據(jù)輸出，第17個(gè)作為同步DAC5681的同步信號(hào)，第18個(gè)為DAC5681提供數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘。FPGA中的DLL模塊可用以消除來自AD9518_0的時(shí)鐘偏斜，對輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻、倍頻、移相等操作。

DAC5681是由TI公司一款高性能的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，支持16bit高精度LVDS有符號(hào)數(shù)輸入以及高1GSPS采樣速率，內(nèi)置8個(gè)輸入FIFO以及片上延遲鎖相環(huán)，同時(shí)在信號(hào)失真及噪聲方面有很好的表現(xiàn)。DAC5681為雙時(shí)鐘輸入，在DCLK時(shí)鐘作用下數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO緩存，SCLK時(shí)鐘控制數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出。

圖3 時(shí)鐘分配

圖4 仿真結(jié)果

AD9518_0時(shí)鐘芯片可輸出五路LVPECL電平時(shí)鐘信號(hào)，接入合適的外圍電路可為FPGA及DAC5681提供250MHZ及1GHZ的工作時(shí)鐘。

3.1 時(shí)鐘分配關(guān)系

OSERDES2是專用的并串轉(zhuǎn)換器[5]，每個(gè)OSERDES2模塊包括一個(gè)用于數(shù)據(jù)和三態(tài)控制的專用串行器。單個(gè)OSERDES2數(shù)據(jù)串行化可達(dá)6:1，可在兩種模式下工作：單倍數(shù)據(jù)速率（SDR）和雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)。OSERDES2使用CLK0和CLKDIV兩個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換。CLK0是高速串行時(shí)，CLKDIV是分頻并行時(shí)鐘；數(shù)字時(shí)鐘管理單元DCM內(nèi)部是DLL(Delay Lock Loop結(jié)構(gòu)，對時(shí)鐘偏移量的調(diào)節(jié)是通過長的延時(shí)線形成的。DCM的參數(shù)里有一個(gè)PHASESHIFT（相移），可以從0變到255。DCM總會(huì)把輸入時(shí)鐘clkin和反饋時(shí)鐘clkfb相比較，如果它們的延時(shí)差不等于所設(shè)置的PHASESHIFT，DCM就會(huì)改變在clkin和clk_1x之間的延時(shí)線數(shù)目，直到相等為止，因此DCM可以消除時(shí)鐘抖動(dòng)。PLL鎖想環(huán)模塊可輸出相位，頻率可調(diào)的時(shí)鐘。每個(gè)OSERDES2必需與BUFPLL配合使用，xc6s16型芯片含有上下BUFPLL，每塊各驅(qū)動(dòng)9個(gè)OSERDES2，同時(shí)上下BUFPLL并接于PLL_BASE。

本文使用xilinx ISE 12.4設(shè)計(jì)工具，可從軟件中調(diào)出各模塊，其時(shí)鐘連接關(guān)系及屬性設(shè)置如圖3及表1所示。

3.2 仿真結(jié)果

仿真工具使用ISE 12.4自帶的ISim，為便于讀數(shù)FPGA內(nèi)存存儲(chǔ)四個(gè)相同的有符號(hào)數(shù)方波數(shù)據(jù)。已知n=20，K=0xe0000，F(xiàn)s=1GHZ，由公式（2）計(jì)算輸出方波頻率f=218.75MHZ，導(dǎo)入激勵(lì)文件后，仿真結(jié)果如圖4所示，sysclkp表示外部輸入時(shí)鐘250MHZ，syp為同步信號(hào)，gclk表示FPGA內(nèi)部全局時(shí)鐘250MHZ，相移90度；ioclk表示OSERDES2串行時(shí)鐘1GHZ，dclkop為雙沿時(shí)鐘500MHZ。P/N為差分波形數(shù)據(jù)輸出，測得頻率200MHZ左右，符合計(jì)算結(jié)果。

4.結(jié)束語

在DDS基礎(chǔ)上介紹了OSERDES復(fù)用技術(shù)，結(jié)合高速DA轉(zhuǎn)換芯片，大大提高了波形采樣速率，不過此方案存儲(chǔ)同一波形數(shù)據(jù)存在需占用四個(gè)內(nèi)存的缺點(diǎn)，由于內(nèi)存空間有限，擴(kuò)大了截?cái)噍敵稣`差，造成波形雜散大。每種方法都有其自己身的優(yōu)缺點(diǎn)，使用

[2]姜平,周根榮,李俊紅.基于AD9833的多通道信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006(12):46-48.

[3]AnalogDeviceInc.ADG704Datasheet[EB/OL].1999.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADG704.pdf.

[4]杜太行,弭艷芝,劉鑫,等.斷路器瞬動(dòng)特性檢測技術(shù)的研究[J].電工技術(shù),2003(8):36-39.

[5]XilinxInc.Virtex-5UserGuide(ug190)[EB/OL](2007-09-11)[2010-02-01].www.xilinx.com/cn/support/documentation/user_guides/c_ug190.pdf.設(shè)計(jì)方法的選擇，可根據(jù)現(xiàn)有硬件資源、環(huán)境情況及各個(gè)方法的特點(diǎn)進(jìn)行取舍。

[1]胡力.基于DDS的掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué),2006.