基于FPGA和SD卡的任意波形發生器設計

王 潔，陸正剛，龔 健

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

1 引言

基于頻率合成的波形發生器廣泛運用于通信和電子儀器中。受使用環境的限制，要求波形發生器設備具有便攜性和通用性。目前任意波形發生器的研制主要基于DDS技術，與傳統的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時間等優點，廣泛使用在通信、測量與電子儀器領域，是設備全數字化的一個關鍵技術［1］。

根據DDS直接數字波形方法設計了基于FPGA和SD卡的便攜式任意波形發生器，兼具使用方便(波形文件可以直接由通用讀卡器寫入SD卡中)和工作可靠的特點。

2 系統結構與硬件設計

波形發生器提供一個通道，可產生多種不同頻率、不同形式的信號。系統結構如圖1所示，主控制器采用ALTER公司的CYCLONE3系列FPGA EP3C25Q來完成DDS直接數字波形生成以及SRAM和SD卡的控制。數據存儲采用SD卡，可存放2G波形文件。數據緩存則采用 ISSI公司的SRAM IS61NLP102418A，可以緩存18×1024Kbit的數據，實現低速SD卡數據讀取和高速波形產生之間的緩存，最后由MAXIM公司的MX7451A完成數字波形到模擬波形的轉換，由集成式開關電容濾波器完成濾波。系統結構如圖1所示。

圖1 任意波形發生器系統結構

3 DDS組成及工作原理

任意波形發生器一般采用DDS(Direct Digital Synthesis，直接數字合成)技術作為波形合成的核心技術。其信號源容易實現，精度高，能把信號源的頻率穩定度、準確度提高到和基準頻率同樣的水平，且可以在很寬的頻率范圍內進行精細的頻率調節［4］。

考慮FPGA片內資源的有限性，使用了如圖2所示的DDS結構。

圖2 DDS構架圖

圖中頻率控制字K和相位累加器用來控制輸出頻率，輸出頻率為

其中N為相位累加器的位數，K為頻率控制字，Tref為基準時鐘頻率。

4 SD卡數據存儲

SD卡作為多功能存儲卡，具有較快的傳輸速度和較大的存儲容量，適合存儲大量波形文件，以供調用。SD卡有兩種總線模式，SD卡總線模式和SPI總線模式。SD卡總線模式采用4根總線傳輸數據，傳輸能力強但協議復雜。SPI總線模式采用單根數據線傳輸數據，其傳輸能力基本滿足設計要求，并且具有協議簡單的優勢。設計采用SPI模式讀取SD卡中波形文件數據。

在SPI模式下，FPGA與SD卡的連接主要有四根線(包括一根時鐘線，兩根數據傳輸線和一根片選線)，其硬件連接如圖3所示。

讀取SD卡中波形數據前需確定波形數據存放的首地址，可由上位機程序先行確定其存放格式，例如FAT16、FAT32等。讀取SD卡中數據的基本流程如下:

初始化步驟

(1)延時至少74clocks;

(2)發送 CMD0，需要返回 0x01，進入 Idle狀態;

(3)循環發送 CMD55+ACMD41，直到返回0x00，進入Ready狀態;

(4)發送CDM16，設置數據長度為512Bytes。

圖3 FPGA與SD卡連接圖

讀步驟

(1)發送CMD17(單塊)或CMD18(多塊)讀命令，返回0x00;

(2)接收數據開始令牌0xfe+正式數據512Bytes+CRC校驗2Bytes。如圖4所示。

圖4 讀取SD卡中數據

SPI模式下一組命令占6字節，命令格式如表1所示。

表1 SPI模式下命令格式

5 SRAM數據緩存

由于SD卡的數據傳輸速度與DAC的高工作頻率之間不協調，需添加一塊SRAM作為緩存。單個波形數據文件先從SD卡中讀出并寫入SRAM中，由DDS模塊中的相位控制字決定讀取SRAM時的首地址，再由頻率控制字K和相位累加器取得讀取地址，從SRAM中讀取波形文件，送入DAC中。

ZBT SRAM分為兩種，pipelined ZBT SRAM和flow－through ZBT SRAM。設計選用 ISIS公司IS61NLP102418芯片，Pipeline型，存儲容量為1Mb×18bit，最大工作頻率為250MHz，pipelined ZBT SRAM讀命令發出兩個時鐘周期之后，可得到讀取的數據，寫命令發出兩個時鐘周期之后，可以寫數據。

表2為ZBT SRAM的讀寫真值表［5］。接口信號主要由時鐘信號、控制總線、地址總線和數據總線等組成，所有控制信號、地址信號和數據信號都在時鐘信號(CLK)的上升沿被采樣。若符合真值表，當為低時對地址線上指定的地址單元進行寫操作，為高時則對地址線上指定的地址單元進行讀操作［6］。

表2 ZBT SRAM讀寫真值表

6 數模轉換

由于從DDS模塊中讀出的是波形的量化值，數字量，故需要DA進行數模轉換。選擇數、模轉換器DAC時需綜合考慮其轉換速度、分辨率、SNR、接口和輸出形式等。經分析選擇MAXIM公司的MX7541A作為DAC。它是一款高速DA芯片，12位，電平建立時間0.6μs，并行接口，雙極性模式下原理圖如圖5所示［7］。

圖5 MX7541A原理圖

如圖5所示，可通過R1調整Vref，C1做反饋電壓的相位延時調整，R2做反饋電壓調整電阻。由AD7541a輸出的是微弱電流信號，因此需要放大信號。在此選用AD8041高速運算放大器，采用±5V供電，從圖6中可以看出它在0－30MHz具有小于0.1db的增益平坦度。當數字信號不斷送入時，輸入輸出電壓關系如表3所示。

表3 輸入輸出真值表

圖6 頻率增益圖

7 濾波電路與放大電路

低通濾波器的設計是整個系統的關鍵點與難點。離散數字信號經過DAC轉換為模擬信號時帶來了頻譜分量復雜，雜波多等缺點，需要針對不同信號設計低通濾波器來保持有效分量并抑制雜波。理想的低通濾波器的幅頻特性和群延遲特性如圖7所示［8］。

圖7 理想低通濾波器幅頻特性和群延遲特性

實際上這種理想的濾波器是不存在的，只有去無限接近其特性曲線。同時若針對某一波形設計適合的模擬濾波器，則將不能隨輸出波形的改變而改變其截止頻率，況且模擬濾波器具有一定的設計難度和較大的公差，制造困難。故選擇了MAXIM公司的集成濾波器作為解決方案。

Maxim公司的 MAX293，是一款集成式8階、Elliptic、低通開關電容式濾波器，－5V～+5V供電，十分適合應用于反鋸齒波的設計中。其拐角頻率范圍 0.1Hz～25KHz。濾波比為1.5提供 －80DB的緩減帶。它的控制簡單，只需設定時鐘頻率去控制拐角頻率，時鐘與拐角頻率的比值為100:1［9］。圖8是它的引腳連接示意圖。

圖8 MAX293引腳連接示意圖

只需要控制引腳1(CLOCK)就可以改變其拐角頻率。根據DDS原理得知，波形頻率公式如下:

0.6 μs為DAC器件的電平建立時間，故Tref=1.667MHz。通過公式可知波形頻率可通過K來改變，若K為1則，fout=6.36Hz(頻率分辨率)。

針對不同輸出信號頻率，需要給予時鐘信號控制濾波器的拐角頻率。綜合考慮到開關時鐘的相位抖動而產生的不同程度失真，故采用CYCLONE III中的PLL時鐘合成器來產生精確的時鐘信號。Quatus II提供相應的IP核來配置PLL。值得一提的是，Cyclone III PLL的重新配置功能，能夠在器件工作時動態改變PLL狀態。可以在片內存儲器中存儲多個PLL狀態配置，根據系統建立的觸發條件而動態進行加載。圖9所示為這種系統的一個例子，根據一組固定輸入或者用戶建立的觸發條件而采用了3種不同的頻率模式。一個Cyclone III PLL便能夠支持所有3種模式，每一模式對應一種PLL狀態配置，可以實時進行動態加載。ALTERA提供了相關IP支持重新配置，為頻率控制字K來決定PLL的配置方案提供了可能。

圖9 PLL參數動態加載系統實例

圖10為 PGA206增益與頻率響應對照圖［10］。該可編程增益放大器在100KHz以下具有良好的線性特征。

幅度增益部分則采用TI公司的PGA206來實現，其提供可編程增益，1、2、4、8t V/V。

圖10 PGA206增益與頻率響應對照圖

8 結 束 語

針對任意波形發生器的便攜性和通用性提出了使用SD卡來完成數據存儲功能。又通過分析DDS理論提出了使用頻率控制字來確定濾波器的拐角頻率，可以根據用戶需求設置低通濾波器的截止頻率，從而節省了設計多個濾波電路的成本，減少了電路復雜性。

［1］張嚴，洪遠泉.基于FPGA的任意波形發生器設計與研究［J］.現代電子技術，2011，34(10):157 －159.

［2］彭龍.200MSPS任意波形發生器數字電路設計［D］.成都:電子科技大學，2012.

［3］張洪濤，莫文承，李兵兵.基于SPI協議的SD卡讀寫機制與實現方法［J］.電子元器件應用，2008，10(3):42－43.

［4］林英撐，童曉華，劉向宇.FPGA嵌入式系統設計與開發指南［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［5］ZBT SRAM Controller Reference Design For Stratix＆Stratix GXDevices［EB/OL］.www.altera.com，2004，4.

［6］王小蓉，田書林，劉科.一種ZBT SRAM接口控制器的設計［J］.電子測試，2010(12):47－50.

［7］Data sheet of MX7541a［EB/OL］.china.maximintegrated.com，1998，6.

［8］劉志宇.基于FPGA的DDS雙通道波形發生器［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2008.

［9］Data sheet of MAX293［EB/OL］.china.maximintegrated.com，2006，08.

［10］High－Speed Programmable Gain Instrumentation Amplifier［EB/OL］.www.ti.com.cn/product/cn/pga206，1995，05.