基于FPGA的信號發生器在分頻器檢測上的應用

王婳懿 董 欣 張成林

(上海航天設備制造總廠，上海 200245)

運載火箭測量系統分頻器用于實現火箭上三級發動機渦輪泵轉速的測量和變換，將發動機轉速降低到適合中心程序單元采集的頻率范圍內，具有極其重要的作用。在之前的分頻器調試中，使用信號發生器模擬發動機渦輪泵產生的轉速信號作為分頻器的激勵信號，當同時進行多臺分頻器的高/低溫試驗時，需要多臺信號發生器提供激勵信號，在信號發生器數量有限的情況下，嚴重影響了生產進度。 筆者采用直接數字頻率合成技術[1]，以MSP430為控制系統、 FPGA為核心，設計了一臺信號發生器，可同時給8臺分頻器提供正弦波激勵信號。該信號發生器在0～9 999Hz頻段內頻率可選，波形光滑，系統雜散小。

1 信號發生器系統總體設計①

直接數字頻率合成器是基于奈奎斯特采樣定理，將已知信號取樣、量化、編碼，形成可查數表存于ROM中，通過頻率控制字的改變，輸出所需波形的一種波形合成技術。筆者設計的利用其產生正弦波的信號發生器系統如圖1所示。

圖1 正弦波信號發生器系統框圖

由圖1可知，系統由正弦波控制模塊和正弦波信號產生模塊兩部分組成。正弦波控制模塊由MSP430F149和外圍按鍵、數碼管構成。系統通過單片機產生頻率控制字，設Fcw為頻率控制字，即累加器模塊每次累加的步進值；fc為外部參考時鐘信號的頻率；N為相位累加器位數，當累加器位數為N時，可以讀取2N個存儲單元中的數據，此時一個正弦波的一個周期最多可以劃分成2N個抽樣點。FPGA輸出的正弦波頻率f=Fcw×fc/2N，根據此公式可計算出所需頻率正弦波的頻率控制字大小、按鍵顯示所選正弦波頻率和數碼管顯示正弦波頻率。

正弦波信號產生模塊由移位寄存器、累加器模塊和正弦波查找模塊構成。通過正弦波產生模塊產生正弦波的數字量，再經過AD轉換得到所需的正弦波。

2 正弦波控制模塊設計

正弦波控制模塊以MSP430F149為核心控制單元，外接按鍵和數碼管。當用戶按下選頻數字按鍵0～9后，再按下確認按鍵，MSP430f149接收按鍵的數據，產生一個頻率控制字，將頻率控制字發送給FPGA，產生用戶所選頻率的正弦波。為了直觀地顯示按鍵設定的當前正弦波的頻率值，設置4個七段LED數碼管顯示當前正弦波的頻率。在按數字按鍵時，按鍵值采用BCD編碼方式，再通過計算將BCD轉換成二進制碼作為真正的頻率控制字來控制頻率，為防止溢出，要求BCD碼向N位寬的二進制碼轉換時，N≥[M·log210]，其中N為累加器位寬，M為最大頻率控制字十進制位數。正弦波控制模塊的軟件控制流程如圖2所示。由圖2可知，系統循環檢測掃描按鍵值，當有鍵值按下后，系統通過中斷進入循環體。

圖2 正弦波控制模塊的軟件控制流程

單片機采用硬件SPI的方式將頻率控制字發送給FPGA。SPI節約了芯片管腳，較并行總線通信而言很大程度上節省了PCB的布局空間。該設計中通過MSP430F149單片機的CLR、SIMO0、UCLK0口接入FPGA的IO口，UCLK0作為移位寄存器的時鐘信號，32位數據通過SIMO0口送入FPGA的移位寄存器數據輸入口，CLR信號經過非門后作為移位寄存器的復位信號，把頻率控制字按照先低位再高位的方式進行發送。

3 正弦波信號產生模塊設計

正弦波信號產生模塊由移位寄存器、累加器模塊和正弦波查找模塊3部分組成[2]。移位寄存器選擇串入并出的32位移位寄存器，移位寄存器將SPI發送的32位串行數據經過移位后并行發送給累加器模塊。累加器模塊(圖3)把頻率控制字每一次累加后得到的數據作為正弦查找表的存儲單元的地址[3]，將前一次累加的和作為后一次累加時的累加值之一。

圖3 累加器模塊

在該系統中，把10MHz時鐘信號作為外部參考時鐘，最小頻率分辨率為10×106/2N，為實現最小頻率分辨率1Hz，選取的N至少大于24，筆者選取N=32。在直接數字頻率合成中，一般相位累加器的位數M大于ROM的尋址位數N，因此累加器的輸出尋址低位M-N位必須舍去，表現在輸出頻譜上就是雜散分量。為了降低相位截斷誤差，需要增加存儲正弦波幅度量化值的ROM的地址位數，但是尋址位數增加一位，ROM的存儲容量就增加一倍，為減少正弦查找表的數據量，根據正弦函數的對稱性采取壓縮存儲的辦法，在ROM中只儲存0～π/2的數據，截取相位累加器的高15位作為ROM尋址的位數，相位的高兩位用來確定波形的象限，其余13位用來查找正弦表，生成ROM地址。利用最高位和次高位兩位確定當前相位值屬于哪個象限，象限確定法見表1。

表1 象限確定法

整個正弦波信號產生模塊流程如圖4所示。按照圖4所示進行Verilog編程[3]，得到所需的符合要求的正弦波信號發生器。

圖4 正弦波信號產生模塊流程

4 波形仿真

對產生的波形進行仿真，結果如圖5所示，當頻率控制字為十六進制數FC0D7E時，正弦波頻率為38 460Hz，正弦波每個周期約為26μs。圖5所示即為頻率為38 460Hz正弦波的仿真波形。

在初始位置處，波形存在一定的雜亂，這是因為當按鍵選擇頻率后，單片機產生一個頻率控制字，通過單片機的SPI口把頻率控制字傳輸給FPGA，FPGA收到頻率控制字后，先需要清除已有的頻率控制字，并開始把新的頻率控制字傳給32位的移位寄存器，移位寄存器在32個時鐘到達后，才把32位串行數據完整轉移，當時鐘周期超過32位時，Fcw為固定值，得到光滑的正弦波波形。

圖5 軟件仿真波形

實際中，為取得較多抽樣點，提高正弦波的精度，降低波形失真度，只取10kHz以下的頻率。試驗證明在10kHz頻段下產生的正弦波比圖5的仿真波形更加光滑。

5 結束語

筆者設計基于MSP430和Cyclone IV FPGA設計了在0～9 999Hz頻段范圍內，頻率分辨率為1Hz，頻率可選的正弦波信號發生器。發生器系統采用直接頻率合成法，采取壓縮存儲法進行查表，降低了相位截斷誤差，得到的正弦波波形光滑，雜散影響小。經測試證明，產品性能可靠，在某運載火箭分頻器檢測系統上使用，極大地提高了生產效率。